PROYECTO FIN DE CARRERA HOME ENERGY MANAGEMENT SYSTEM. ENERGY BOX.

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1 PROYECTO FIN DE CARRERA HOME ENERGY MANAGEMENT SYSTEM. ENERGY BOX. AUTOR: Javier Arancbia García DIRECTORES: Prof. Dr. Álvaro Sánchez Miralles, Enrique Díaz Plaza Sanz y Dolores Salcedo Gutiérrez MADRID, Mayo 2012

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3 Autorizada la entrega del proyecto del alumno: Javier Arancibia García EL DIRECTORES DEL PROYECTO Prof. Dr. Álvaro Sánchez Miralles Fdo.: Fecha: / / Enrique Díaz-Plaza Sanz Fdo.: Fecha: / / Dolores Salcedo Gutiérrez Fdo.: Fecha: / / VO BO DEL COORDINADOR DE PROYECTOS Prof. Dr. Álvaro Sánchez Miralles Fdo.: Fecha: / /

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5 Índice de documentos DOCUMENTO I. MEMORIA I. Memoria pág. 30 a páginas II. Estudio económico pág. 116 a páginas III. Manual de usuario pág. 123 a páginas IV. Datasheets pág. 134 a páginas DOCUMENTO II. PRESUPUESTO 1. Mediciones pág. 138 a páginas 2. Precios unitarios pág.141 a páginas 3. Sumas parciales pág. 144 a páginas 4. Presupuesto general pág página

6 Resumen Resumen 1. Introducción La necesidad de ahorrar energía y consumirla de la manera más eficiente posible es, hoy en día, una realidad. Por otro lado, la implementación en hogares de programas de gestión de la demanda está ya presente en países como Estados Unidos y a medida que transcurran los años, estos programas tendrán sin duda mayor protagonismo en aquellos países en los que todavía no están presentes. Del mismo modo, el modelo de ciudades inteligentes, Smart Cities, se abre paso en la actualidad como la nueva forma de gestionar grandes ciudades. Uno de los requisitos de las Smart Cities, entre otros, es la obtención de la mayor información posible acerca del consumo energético de cada usuario, para poder así optimizar de manera inteligente el consumo energético global de las ciudades. Para cumplir con todas las necesidades anteriormente citadas, se han desarrollado numerosos sistemas de gestión de energía eléctrica en hogares, haciendo uso cada vez de tecnologías más sofisticadas. En la Figura 1 podemos ver dos sistemas desarrollados por empresas distintas. En ambos, podemos ver que utilizan el estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee, protocolo que utilizaremos en nuestro sistema por ser ampliamente usado en la actualidad en distintos sistemas de gestión energética en hogares.

7 Resumen ZigBee a) The Energy Detector b) CCDR Energate Figura 1 Ejemplos de sistemas de gestión de la demanda desarrollados por distintas empresas Sin embargo hoy en día no existe un sistema de gestión de la energía en hogares que sea de bajo coste y lo suficientemente flexible como para adaptarse a las distintas necesidades de los usuarios en función de las características de su hogar. Además, los sistemas que existen no son abiertos, lo cual impide la incorporación de sistemas adicionales y añadir inteligencia para optimizar de la mejor manera posible el consumo de eléctrico en los hogares. Por lo tanto el objetivo de este proyecto es desarrollar un sistema de gestión de energía eléctrica en hogares lo más flexible posible y de bajo coste para poder optimizar de la mejor manera posible el consumo eléctrico de un hogar. Además se diseñará un sistema abierto que permita la incorporación y la implementación con distintos sistemas adicionales como seguridad, gestión del consumo de agua, entre otros, y dar una inteligencia que ninguno otro posee en el mercado.

8 Resumen 2. Objetivos Para lograr un sistema como el mencionado anteriormente se han fijado una serie de objetivos. Los objetivos establecidos para el proyecto son los siguientes: gestión de la energía de un cliente en base a sus consignas y de referencias externas recibidas, comunicación bidireccional con los distintos dispositivos que gestionan la energía, capacidad tanto de interrumpir, habilitar y regular el consumo energético de los dispositivos y finalmente almacenamiento de los consumos históricos. 3. Metodología El presente proyecto se ha desarrollado sin partir de ningún recurso inicial. El sistema permite recibir órdenes de agentes exteriores, como puede ser el propio usuario del hogar y/o sistemas de agregación como una comercializadora eléctrica, crea una red inalámbrica de área local para establecer las comunicaciones y órdenes pertinentes dentro del hogar y finalmente gestiona de la manera más óptima posible el consumo eléctrico del hogar a través de la obtención de información acerca de dicho consumo (cargas puntuales monofásicas y circuitos eléctricos del hogar) y la monitorización de las distintas cargas puntuales monofásicas, interrumpiendo, habilitando o regulando su consumo. Para ello el sistema está compuesto por dos módulos principales diferentes, el dispositivo central y los subdispositivos. En la Figura 2 podemos ver la arquitectura que posee el sistema desarrollado.

9 Resumen Usuario Sistema de Agregación Módulo Wi-Fi Comunicaciones Dispositivo Central Módulo Sistema Agentes externos Tablero Eléctrico Subdispositivo 1... Módulo ZigBee Comunicaciones Subdispositivo N Módulo Sistema Cargas individuales Cargas/Circuitos de Actuación Figura 2 Arquitectura del sistema Para su diseño, lo primero que se estableció fueron los protocolos de comunicación, tanto de cara al exterior, como dentro del propio sistema. Como hemos mencionado anteriormente, esta decisión es una de las más trascendentes ya que si no se eligen los protocolos adecuados, el sistema en unos años podría quedar obsoleto. Para que el usuario se pueda comunicar con el sistema se ha decidido usar el estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas Wi-Fi, ya que hoy en día es ampliamente usado en nuestra sociedad. Por otro lado las comunicaciones que se realicen dentro del propio sistema serán a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee, que como ya hemos mencionado anteriormente, es un protocolo que se encuentra cada vez más frecuentemente en sistemas de gestión de energía del hogar que se están desarrollando en la actualidad. Finalmente se establecieron los recursos necesarios para monitorizar cargas monofásicas y se diseñaron distintos prototipos que permitieran simular cada una de las funcionalidades del sistema. Al final del proyecto se mandó a fabricar a una empresa especializada la tarjeta de control de potencia definitiva de los subdispositivos.

10 Resumen 4. Resultados Se han obtenido distintos resultados durante el presente proyecto de fin de carrera. En primer lugar se crearon las dos tarjetas necesarias para el funcionamiento del sistema: la tarjeta de los subdispositivos y la tarjeta del dispositivo central. Por otro lado se realizaron diversas pruebas, de forma independiente, para demostrar el correcto funcionamiento de las distintas funcionalidades de las distintas tarjetas. También se realizaron pruebas del funcionamiento conjunto de cada una de las tarjetas dentro del sistema y se comprobó el correcto funcionamiento de las funcionalidades de cada una de las tarjetas. Finalmente se consiguió que el dispositivo central se comunicara con un ordenador a través de WiFi gracias al software y al hardware diseñado para el dispositivo central. Se demostró la comunicación entre ambos por medio de una aplicación en el ordenador que permitía ver información, a través de una interfaz para el usuario, sobre la comunicación WiFi establecida. 5. Conclusiones El presente proyecto se ha centrado en el desarrollo del hardware y software necesario para la creación de un sistema para gestionar el consumo de energía eléctrica en un hogar, basándose en la existencia de dos módulos distintos del sistema: el dispositivo central y los subdispositivos. En definitiva, se ha conseguido desarrollar las bases sólidas para que, en un futuro cercano, se consiga un sistema completo de gestión de la energía de un hogar. El sistema desarrollado hasta el momento cuenta con todas las herramientas necesarias para integrar los distintos módulos de manera conjunta y dotar de inteligencia al sistema para que pueda gestionar la energía del hogar de la manera más óptima posible.

11 Resumen Abstract 1. Introduction The need to save energy and consume it more efficiently is, nowadays, a reality. On the other hand, implementing demand-response programs at homes is already present in countries like the United States of America and as the years go by, these programs will undoubtedly play a more important role in those countries that are not yet present. Similarly, the Smart Cities model is gaining ground today as the new way to manage large cities. One of the requirements of the Smart Cities, among others, is to obtain as much information as possible about the energy consumption of each user, to intelligently optimize overall energy consumption in cities. To meet all the needs mentioned above, numerous home energy management systems have been developed in households, increasingly using more sophisticated technologies. Figure 1 shows two systems developed by different companies. In both, it can be seen the use of the wireless communication protocol for personal area ZigBee, protocol that it is integrated in our system because it is widely used today in different home energy management systems.

12 Resumen ZigBee a) The Energy Detector b) CCDR Energate Figure 3 Examples of home energy management systems developed by different companies However, nowadays there is no home energy management system that is low cost and flexible enough to accommodate the different needs of users based on their home s features. In addition, existing systems are not open, preventing the incorporation of additional systems and add intelligence to optimize electric energy consumption in households. Therefore the aim of this project is to develop a low cost and flexible home electrical energy management system in order to optimize as best as possible home s electricity consumption. Furthermore, it will be an open system that allows the incorporation and implementation with various additional systems such as security, water managment, among others, and develop intelligence for the system that no other system currently has.

13 Resumen 2. Objectives In order to successfully develop the system explained above, a set of objectives have been identified. The objectives for this project are: home energy management of a customer based on his/her slogans and external references, bidirectional communication within the different devices that manage the energy consumption, ability to both interrupt, enable and regulate the energy consumption of particular electric appliances, and finally storage of historical consumption. 3. Methodology This project was developed without any initial resources. The system receives orders from external agents, such as the user's home and/or aggregation systems such as an electrical energy trading company, creates a local area wireless network for communications and relevant orders within the home and eventually optimizes as best as possible home s electricity consumption gathering information about the already mentioned electrical consumption (single-phase loads and household electrical circuits) and monitoring individual single-phase loads by interrupting, enabling or regulating their consumption. This system consists of two different main modules, the central device and the gadgets. Figure 2 shows the system s architecture.

14 Resumen Usuario Sistema de Agregación Módulo Wi-Fi Comunicaciones Dispositivo Central Módulo Sistema Agentes externos Tablero Eléctrico Subdispositivo 1... Módulo ZigBee Comunicaciones Subdispositivo N Módulo Sistema Cargas individuales Cargas/Circuitos de Actuación Figure 4 System s arquitechture For its design, first of all communication protocols were established, both for the outside and inside the system itself. As mentioned above, this decision is one of the most significant because if it is not chosen the appropriate protocols, the system could become obsolete in just a few years. In order to communicate the user with the system it has been decided to use the wireless communications protocol Wi-Fi, which is widely used nowadays in our society. On the other hand, the communications made within the system will be through the wireless communication protocol for personal area ZigBee, which, as already mentioned above, is a protocol that has been currently implemented in different home energy management systems. Finally the necessary resources were settled to monitor loads and different prototypes were designed to simulate each system's functionality. At the end of the project the gadget s power control printed circuit board was sent to a specialized company to be manufactured.

15 Resumen 4. Results Different results were obtained during this final year project. Firstly the two cards were created for the operation of the system: the gadgets board and the central device s board. On the other hand various tests were conducted independently, to demonstrate the proper functioning of the various features of the different boards. Tests were also conducted on the interaction of each of the cards within the system and found the correct operation of the functionality of each of the cards. Finally the central device was able to communicate with a computer though WiFi thanks to the software and hardware designed for the central device. This communication was demonstrated by a computer application that could show information through a user interface based on the WiFi communication established. 5. Conclusions This project has focused on developing hardware and software needed to create a system to manage electrical energy consumption in a household, based on the existence of two different modules of the system: the central device and gadgets. In short, it has been possible to develop a solid foundation in order to get a complete home energy management system in a near future. The system developed so far has all the tools necessary to integrate the different modules together and add intelligence to the system so it can manage the home electrical energy consumption in the most optimal way possible.

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17 Agradecimientos Agradecimientos Querría agradecer por todo el tiempo y ayuda prestada a alumnos y ex alumnos de ICAI, especialmente a Jaime Boal Martín-Larrauri, Francisco Martín y Rodrigo de Marcos Peirotén. También quiero aprovechar para dar las gracias a los responsables del taller de electrónica, Antonio y José María, por la atención y paciencia durante numerosas peticiones. Gracias también a mis directores de proyecto. Gracias a Enrique Díaz-Plaza Sanz y Dolores Salcedo Gutiérrez por su seguimiento y atención durante el proyecto. Dar las gracias especialmente a Álvaro Sánchez Miralles por inculcarme el interés por la electrónica desde la primera vez que le tuve como profesor y por su plena dedicación y apoyo durante mi proyecto de fin de carrera. Finalmente y más importante, dar las gracias a mi familia. Gracias a mi madre, a mi padre y a mi hermano, porque ellos me han enseñado todo lo que sé y porque todo lo que he conseguido ha sido gracias a ellos.

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19 DOCUMENTO I MEMORIA

20 Índice Agradecimientos Índice Índice de figuras Índice de tablas Índice de extractos de código Parte I Memoria Capítulo 1 Introducción Estado del Arte Tipos de gestión de la demanda Estándares de comunicación y arquitectura Estándares de comunicación Arquitectura Ejemplos de sistemas completos diseñados para la gestión de la energía en un hogar The Energy Detective (TED) Connectgaia sistema inteligente de gestión de la energía Consumer Connected Demand Response (CCDR) Motivación Objetivos Gestión de la energía de un cliente en base a sus consignas y de referencias externas recibidas Comunicación bidireccional con los distintos dispositivos que gestionan la energía Capacidad tanto de interrumpir, habilitar y regular el consumo energético de los dispositivos Almacenamiento de los consumos históricos Recursos a emplear... 39

21 1.4.1 Hardware Software Herramientas Metodología Búsqueda de los protocolos de comunicación Creación de los dispositivos del sistema Creación del dispositivo central del sistema Desarrollo de software para el almacenamiento histórico del consumo eléctrico Capítulo 2 Arquitectura del Arquitectura del sistema Descripción Justificación Arquitectura de Control Capítulo 3 Tarjeta subdispositivo del sistema Funcionalidades Conexión y desconexión eléctrica de una carga Regulación del consumo eléctrico de una carga Medida del consumo eléctrico de una carga Comunicaciones ZigBee Diseño Alimentación Sensores Actuadores Relé biestable de doble bobina Relé estado sólido Comunicaciones... 69

22 3.3 Programación del dspic33fj32mc Manejo Capítulo 4 Tarjeta dispositivo central del sistema Funcionalidades Medida del consumo eléctrico de los circuitos eléctricos del hogar Comunicaciones ZigBee Comunicaciones Wi-Fi Capacidad de optimización y de dar recomendaciones al usuario Diseño Alimentación Transformador de corriente Comunicaciones ZigBee Wi-Fi Programación del dspic33fj128mc Manejo Capítulo 5 Resultados y pruebas realizadas Pruebas realizadas Prueba de comunicación por ZigBee Prueba de interrupción y habilitación del consumo de una carga elécrica Prueba de regulación del consumo eléctrico de una carga Prueba de medida del consumo eléctrico Prueba de comunicación por Wi-Fi Resultados Capítulo 6 Conclusiones Capítulo 7 Futuros desarrollos Bibliografía

23 Parte II Estudio económico Parte III Manual del Funcionamiento Precauciones Manual de Programador de los Subdispostivos Inicialización Funciones Manual de Programador Del Dispositivo Central ZigBee Inicialización Funciones Wi-Fi Inicialización la Red y Placa Funciones Aplicación ServerDevApp Parte IV Datasheets

24 Índice de figuras Figura 1 Ejemplos de sistemas de gestión de la demanda desarrollados por distintas empresas... 7 Figura 2 Arquitectura del sistema... 9 Figure 3 Examples of home energy management systems developed by different companies Figure 4 System s arquitechture Figura 1 Ubicación en el OSI layer de diversos estándares Figura 2 Sistema de gestión de la energía en el hogar por TED Figura 3 Unidades gaiacells Figura 4 Funcionamiento del sistema CCDR de Energate Figura 5. Arquitectura de funcionamiento del Home Energy Management System Figura 6. Arquitectura de control del dispositivo central Figura 7 Arquitectura de control del subdispositivo Figura 8 Instalación del Home Energy Management System en un hogar de 144 m Figura 13 Parte del diseño de una versión no definitiva de la tarjeta de control de potencia del subdispositivo Figura 14 Parte del diseño de la versión definitiva de la tarjeta de control de potencia del subdispositivo Figura 15 Circuito de corriente alterna del subdispositivo para la monitorización de cargas monofásicas Figura 16 Circuito de alimentación del subdispositivo Figura 17. Esquema del conexionado de las bobinas del LEM LTS 15-NP según su intensidad nominal Figura 18 Circuito del transductor de corriente para la consecución de todos los rangos de intensidad mediante la colocación de jumpers Figura 19 Circuito del transductor de corriente definitivo Figura 20 Curva característica del transductor de corriente de efecto Hall LEM LTS 15- NP... 56

25 Figura 21 Diagrama de flujo correspondiente al algoritmo para calcular la potencia consumida por una carga resistiva Figura 22 Circuito empleado para la utilización de relés biestables de doble bobina Figura 23 Diagrama de Flujo para la interrupción y habilitación del consumo eléctrico de una carga Figura 24 Principio de funcionamiento del relé de stado sólido "Zero-Crossing" Figura 25 Principio de funcionamiento del relé de stado sólido "Random Turn-On" Figura 26 Circuito del relé de estado sólido S202S01F Figura 27 Circuito completo diseñado para la regulación de una carga monofásica Figura 28 Diagrama de flujo del algoritmo para la regulación de la carga Figura 29 Señales muestreadas con el osciloscopio para una regulación de un 10 % aproximadamente Figura 30 Señales muestreadas con el osciloscopio para una regulación de un 30 % aproximadamente Figura 31 Diseño de la primera tarjeta para comprobar la comunicación ZigBee con el módulo MRF89XAM8A Figura 32 Interfaz entre el microcontrolador y el módulo de radio MRF89XAM8A Figura 33 Fotografía de la primera tarjeta finalizada para comprobar la comunicación ZigBee Figura 34 Diagrama de Flujo de comunicación a través de ZigBee con el módulo MRF89XAM8A Figura 35 Interfaz entre el microcontrolador y el módulo de radio MRF24J40MA Figura 36 Diagrama de flujo comunicación ZigBee a través del módulo MRF24J40MA Figura 37 Conexiones de la tarjeta definitiva entre el módulo MRF24J40MA y el dspic33fj32mc Figura 38 Proceso de conexión para la utilización de los subdispositivos Figura 39 Parte del diseño de la tarjeta del dispositivo central Figura 40 Circuito de alimentación del dispositivo central Figura 41 Circuito del transformador de corriente del dispositivo central... 87

26 Figura 42 Relación entre la tensión de salida y corriente de entrada del transformador de corriente según la resistencia conectada en el secundario Figura 43 Diagrama de flujo del algoritmo empleado para el cálculo de la potencia consumida por cada circuito del hogar Figura 44 Tensión de salida del transformador de intensidad sin puente rectificador Figura 45 Tensión de salida del transformador de intensidad usando un puente rectificador Figura 46 Conexionado del módulo MRF24J40MA en la tarjeta del dispositivo central Figura 47 Diagrama de flujo para la comunicación ZigBee del dispositivo central Figura 48 Interfaz entre el módulo Wi-Fi y el microcontrolador Figura 49 Conexiones entre el microcontrolador y el módulo de Wi-Fi Figura 50 Diagrama de flujo para la comunicación Wi-Fi del dispositivo central Figura 51 Proceso de conexión para la utilización del dispositivo central Figura 52 Prototipos de las tarjetas del dispositivo central y del subdispositivo Figura 49 Beneficios del Home Energy Management System en función de la predisposición del usuario Figura 50 Consumo energético medio de un hogar Figura 51 Gráfico que muestra los meses necesarios para amortización de la inversión del home energy management system y la rentabilidad posterior Figura 52 Inicialización de la interfaz para conexión Wi-Fi Figura 53 Interfaz para la conexión Wi-Fi entre un ordenador y el dispositivo central 132

27 Índice de tablas Tabla 1 Extracto de la tabla 1 de la instrucción técnica complementaria 25 del reglamento electrotécnico para baja tensión Tabla 2 Características eléctricas del circuito empleado para los relés biestables de doble bobina Tabla 3 Consumos, precio y rango de alcance de distintos módulos de ZigBee de Microchip Tabla 4 Componentes específicos según la funcionalidad de la tarjeta Tabla 5 Valores de la pendiente de la recta que relaciona la tensión de salida con la corriente de entrada del transformador de corriente según el valor de la resistencia conectada Tabla 6 Componentes específicos de la tarjeta del dispositivo central según las características de los circuitos a medir

28 Índice de extractos de código Código 1 Inicialización del timer Código 2 Interrupción del timer para habilitar e interrumpir consumo de la carga Código 3Regulación del consumo eléctrico Código 4 Inicialización convertidor AD Código 5 Interrupcción convertidor AD Código 6 Declaración de funciones del módulo MRF89XAM8A Código 7 Declaración de funciones del módulo MRF24J40MA Código 8 Declaración de las funciones principales para establecer conexión a través de ZigBee Código 9 Declaración de funciones módulo WiFi Código 10 Dirección subidispositivo Código 11 Envío mensaje subdispositivo Código 12 Recepción mensaje subdispositivo Código 13 Envío mensaje al dispositivo central Código 14 Regulación carga por subdispositivo Código 15 Dirección dispositivo central Código 16 Envío orden a subdispositivos Código 17 Recepción mensajes dispositivo central Código 18 Envío mensaje a subdispositivos Código 19 Dirección router Wi-Fi Código 20 Contraseña seguridad router Código 21 Configuraciones iniciales Wi-Fi Código 22 Configuraciones dispositivo central Wi-Fi Código 23 Variables envío y recepción mensajes Wi-Fi Código 24 Envío y recepción mensajes Wi-Fi

29 PARTE I MEMORIA

30 Memoria. Introducción Capítulo 1 Introducción El presente Proyecto Fin de Carrera, Home Energy Management System (Energy Box), plantea el diseño de un dispositivo de monitorización y gestión energética para los hogares. Dicho dispositivo controlará cargas distribuidas (i.e. climatización, iluminación, recarga de vehículos eléctricos), y se integrará con otros sistemas de agregación (i.e. sistemas de comercializadora o ESCo, distribuidora, etc.). Para su diseño, se estudiarán y utilizarán los protocolos más indicados, basados sobre todo en smart grids. 1.1 Estado del Arte En este apartado vamos a mostrar en primer lugar una clasificación básica de los tipos de gestión de la demanda posibles que se utilizan con el fin de mejorar la gestión y el consumo de la energía en el hogar. En segundo lugar estudiaremos los estándares de comunicación y la arquitectura que se utiliza en los sistemas de gestión energética en un hogar. Finalmente revisaremos algunos ejemplos de sistemas completos diseñados en la actualidad para gestionar la energía en una vivienda Tipos de gestión de la demanda Existen tres clasificaciones básicas de gestión de la demanda: Gestión de la demanda automatizada. En este tipo de gestión de la demanda no existe ningún tipo de interacción humana con el sistema instalado en el hogar. Gestión de la demanda semi-automatizada. En este caso se implementa una estrategia específica programada de antemano para la gestión de la demanda que debe ser iniciada y aprobada por personas en el hogar. Gestión de la demanda manual. Javier Arancibia García Página 30

31 Memoria. Introducción En este caso no hay una estrategia programada de antemano para la gestión de la demanda. Las personas en el hogar reciben una señal con información sobre su consumo energético y manualmente toman las medidas necesarias para mejorar dicho consumo Estándares de comunicación y arquitectura A continuación se hará un estudio del los estándares de comunicación y arquitectura que se emplean en los sistemas de gestión de energía en un hogar. En primer lugar hay que decir que distintas organizaciones trabajan en el desarrollo y mantenimiento de los estándares de los sistemas de gestión energética. Una gran parte de los países europeos participa con la Comisión Electrotécnica Internacional ( Internacional Electrotechnical Commission (IEC)) y con el Comité Europeo de Normalización Electrotécnica (European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC)). Asimismo el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electronic Engineers (IEEE)) trabaja de forma paralela en dicha estandarización Estándares de comunicación Los estándares disponibles para la comunicación entre los distintos dispositivos utilizados dentro de un sistema completo de gestión energética en un hogar deben seguir principalmente los siguientes criterios: 1. Estándar abierto ( Open standard ). Se debe garantizar una estandarización por medio de los distintos dispositivos y fabricantes para así facilitar la unión entre ellos. Se necesita un modelo OSI ( Open System Interconnection ) que consiste en subdividir el sistema de comunicación en partes más pequeñas llamadas layers. Cada layer proporciona servicios a su upper layer mientras recibe servicios del layer below. 2. OSI layer position. Hay que saber si el estándar principalmente incumbe a aspectos de hardware, como IEC o IEC , o si el estándar es un modelo de tipo data ( data-model ) como DLMS/COSEM o si por el contrario incumbe a ambas partes como KNX y LonWorks. En la Figura 1 podemos ver en qué layer estarían situados algunos estándares según el modelo OSI. Javier Arancibia García Página 31

32 Memoria. Introducción Figura 5 Ubicación en el OSI layer de diversos estándares. Para nuestro estudio en concreto, nos interesa saber los principales estándares para la comunicación entre los dispositivos del sistema que están localizados dentro del propio hogar. Éstos son principalmente: KNX, LonWorks/LonTalk, BACnet, ZigBee (Smart Energy Profile), Homeplug (Command & Control), 6LoWPAN, DPWS y X Arquitectura A continuación estudiaremos las posibles arquitecturas a tener en cuenta a la hora de implementar un sistema para la gestión energética en una vivienda. En primer lugar veremos distintas posibilidades de comunicación entre distintos dispositivos de un sistema completo que tenga como finalidad la gestión energética de un hogar. Algunas interfaces posibles podrían ser: Comunicación directa entre el contador y el sistema central. Esto típicamente está basado en comunicaciones por GPRS/UMTS/LTE o en un sistema de comunicaciones de banda ancha de conexión a internet. Comunicación entre un colector de data ("data concentrator") y el contador eléctrico del consumidor. Los "data concentrator" son usados cuando no es posible una conexión directa entre el servidor central y el contador (como por ejemplo los sistemas PLC). Comunicación entre el contador y el terminal local. Es un caso comparable con el de "data concentrator" pero con funcionalidad wireless. Javier Arancibia García Página 32

33 Memoria. Introducción Comunicaciones entre el sistema central y contadores secundarios. Un ejemplo puede ser la comunicación entre el sistema central y el sistema de placas solares domésticas, o entre el sistema central y multi-contadores de otros servicios como gas, agua y calefacción. Comunicación entre el contador y la red HAN ("Home Area Network"). Este tipo de interfaz se utiliza para llevar a cabo la domótica y la automatización del hogar, permitiendo la integración de distintos sistemas con diferentes finalidades como puede ser la gestión de la demanda eléctrica Ejemplos de sistemas completos diseñados para la gestión de la energía en un hogar Finalmente estudiaremos los distintos sistemas empleados en la actualidad para la gestión energética de un hogar. Muchas empresas se dedican a la gestión energética del hogar y por tanto hay un gran abanico de posibles sistemas que se han desarrollado. Listaremos y explicaremos algunos de estos sistemas haciendo referencia a la empresa que lo haya desarrollado The Energy Detective (TED) En este primer caso el sistema diseñado por la empresa The Energy Detective sólo mide y monitoriza en tiempo real la energía que se está consumiendo en la casa por lo que no actúa sobre los dispositivos que están consumiendo dicha energía en el hogar. El sistema se basa en el uso de transformadores de corriente y una unidad de transmisión de medida ( Measuring Transmit Unit (MTU)) que son instalados en el cuadro de distribución o cuadro eléctrico del hogar. La MTU transmite data a través de comunicaciones por cable eléctrico ( Power Line Communications (PLC)). Una vez obtenida dicha información, el dispositivo gateway transmite señales vía ZigBee wireless a un display para que el usuario pueda ver la información sobre su consumo. También el gateway se conecta directamente a internet para transmitir dicha información. A través de internet se puede ver esta información después de instalar un Javier Arancibia García Página 33

34 Memoria. Introducción software específico en el PC del usuario o también en dispositivos wireless (como por ejemplo Smart Phones ). En la Figura 2 se puede observar el funcionamiento básico de este sistema. Figura 6 Sistema de gestión de la energía en el hogar por TED. Javier Arancibia García Página 34

35 Memoria. Introducción Connectgaia sistema inteligente de gestión de la energía Connectgaia es el producto de KLG Systel Ltd para desarrollar una solución para la gestión de la demanda energética. El sistema de Connectagaia utiliza la tecnología de IBM y está desarrollado con las últimas tecnologías en protocolos de comunicación, "database" y "middleware" probados y testeados por IBM. El dispositivo que se instala en los locales tiene la capacidad de comunicarse con miles de sensores como por ejemplo: temperatura, presión, humedad, etc. La plataforma de esta solución usa estándares abiertos ("open standards") y servicios web para integrar el "smart metering". También proporciona información y permite la gestión activa de la energía consumida ( Smart Customer Portal (SCP)), por tanto el usuario puede conectar y desconectar aparatos desde internet ( Smart Phones, wireless internet access, etc.). El sistema de hardware en la instalación consta de dos dispositivos: "gaiaeco" (unidad principal) y "gaicacell" (unidades que son extensiones de "gaiaeco" y parte de la red donde "gaieco" es el nodo base). Ambos controlan operaciones para áreas individuales. Los dos dispositivos están conectados directamente a las 3 fases de la red, justo después del contador eléctrico. Las unidades tienen medidores de potencia tanto en la entrada ("inlet") como en la salida ("outlet"). Los "gaiacells" miden los niveles eléctricos de los electrodomésticos que le han sido directamente conectados. Los gaiacells se comunican con la unidad principal "gaiaeco" por radio frecuencia a través de una red wireless ZigBee. Las salidas ("outlets") de gaiaeco y gaiacell se conectan a interruptores digitales "digital switches" para poder apagar o encender electrodomésticos remotamente. Para la transmisión de información y data entre "gaiaeco" y el servicio web utilizado para el Smart Metering, "gaiaeco" usa un módulo GPRS que lleva implementado internamente. Finalmente cada "gaiacell" se conecta a Connectgaia Intelligent Network para realizar instrucciones. Gracias a la implementación como ya comentamos del Smart Customer Portal (SCP), el usuario sólo tiene que entrar en su cuenta de internet y utilizar el sistema pudiendo: ver información de su consumo, programar tareas, desconectar o conectar remotamente electrodomésticos conectados a los "gaiacells", etc. También se puede utilizar el sistema en función de los sensores que el sistema tenga integrados. Los dos dispositivos gaiaeco y gaiacells disponen de distintos módulos integrados. Javier Arancibia García Página 35

36 Memoria. Introducción El "gaiaeco" posee: conectores "inlet" y "outlet", antenas GPRS y ZigBee, y un microprocesador. Los "gaiacells" tienen distintos modelos dependiendo del número de aparatos que se quieran conectar. Independiente el modelo, todos poseen: un conector "outlet", una antena ZigBee y un microprocesador. Finalmente es importante remarcar que el sistema tiene integrado lógica y algoritmos para analizar el coste de la energía y estimar el ROI ( Return of Investment ). En la Figura 3 se muestra una imagen de las unidades gaiacells. Figura 7 Unidades gaiacells Consumer Connected Demand Response (CCDR) La empresa llamada Energate ha desarrollado un sistema llamado "Consumer Connected Demand Response CCDR. Es una solución para habilitar a los consumidores con programas de gestión de la demanda a través de la tecnología AMI y Smart Grid. El sistema está basado en la red de comunicación ZigBee entre los dispositivos del sistema para la gestión de la energía en el hogar. El sistema consiste en los siguientes dispositivos: Smart Thermostats, "Load Control Switches", "Gateways", "In-Home Displays" y plataforma de software. Javier Arancibia García Página 36

37 Memoria. Introducción El sistema CCDR de Energate también se puede comunicar a través de prácticamente todos los contadores con AMI basados en ZigBee permitiendo a las empresas implementar programas de gestión de la demanda. En la Figura 4 se puede ver el funcionamiento del sistema CCDR de Energate. Figura 8 Funcionamiento del sistema CCDR de Energate 1.2 Motivación El ahorro energético y el consumo eficiente de energía tanto en hogares como en edificios son temas de actualidad y son además de interés común. Existen diferentes sistemas que consiguen monitorizar las cargas en un hogar por medio de la interacción con un usuario según sus preferencias, de manera automática o manual. La mayoría de estos sistemas sólo consiguen conectar o desconectar cargas específicas según lo indicado previamente por el usuario. La novedad del proyecto es que además el sistema que se plantea en este proyecto conseguirá captar información de la comercializadora de energía eléctrica, consiguiendo información acerca del precio por kwh consumido Javier Arancibia García Página 37

38 Memoria. Introducción según el momento del día. Por tanto el Energy Box combinará la información obtenida por la comercializadora y por el usuario, optimizando así de la mejor manera el consumo energético en un hogar o en un edificio. Además podrá recibir información específica de la energía consumida por cada carga pudiendo, no sólo desconectar o conectar dicha carga, sino regular la potencia que esté consumiendo ésta según las especificaciones de la comercializadora y usuario establecidas. Por otro lado dicho sistema consistirá en un sistema abierto donde se podrá en un futuro implementar otras aplicaciones como, entre otros, sistemas para el control de agua y sistemas de seguridad. Por último el sistema será capaz de tener un histórico acerca del consumo energético por parte del usuario, lo que ayudará a su mejor análisis y a reducir dicho consumo en un futuro. 1.3 Objetivos Este proyecto tiene como objetivos la realización de un sistema para la monitorización y gestión energética en un hogar o edificio. Para ello conseguir dicho objetivo principal se han fijado una serie de sub-objetivos que se explicarán más adelante con mayor precisión: gestión de la energía de un cliente en base a sus consignas y de referencias externas recibidas, comunicación bidireccional con los distintos dispositivos que gestionan la energía, capacidad tanto de interrumpir, habilitar y regular el consumo energético de los dispositivos, almacenamiento de los consumos históricos. Por otro lado existen otros objetivos que se plantean para un futuro y que este proyecto tratará de cumplir aunque todavía no se sabe con claridad si se dispondrá de suficiente tiempo para ello, estos son: integración del sistema con un consumer portal y que el sistema sea capaz de dar recomendaciones al usuario Gestión de la energía de un cliente en base a sus consignas y de referencias externas recibidas El sistema deberá ser capaz de gestionar la energía de un cliente en base a las consignas que él mismo da y en base a referencias externas que recibe, como puede información por parte de la comercializadora sobre el precio por kwh consumido. Javier Arancibia García Página 38

39 Memoria. Introducción Comunicación bidireccional con los distintos dispositivos que gestionan la energía Dicho sistema debe ser capaz también de integrar una comunicación bidireccional entre los distintos dispositivos, consiguiendo así una mejor seguridad y mayor potencial del sistema Capacidad tanto de interrumpir, habilitar y regular el consumo energético de los dispositivos El sistema que se plantea no sólo debe ser capaz de interrumpir y habilitar el consumo energético, sino también regular la potencia consumida de distintas cargas para conseguir una mayor optimización del consumo de energía Almacenamiento de los consumos históricos Por último debe existir la capacidad de almacenamiento de información acerca de los consumos históricos que se han realizado a lo largo del tiempo, lo cual será muy útil para analizarlos en un futuro y tomar decisiones oportunas para mejorar la eficacia del consumo energético. 1.4 Recursos a emplear Para la realización del presente proyecto de fin de carrera se necesitaron los siguientes recursos: Hardware Módulo Radio Frecuencia MRF89XAM8A Microcontrolador dspic33fj32mc202 Sistema de desarrollo MPLAB Pickit3 Transformador universal 220VAC / VDC 1.4 A. Javier Arancibia García Página 39

40 Memoria. Introducción Software CadSoft EAGLE PCB design software MPLAB IDE, para programar los microcontroladores. IBM RTC (Rational Team Concert) LotusLive Herramientas Taladradora Equipo soldadura (soldadora, desoldador, estaño, pinzas), Osciloscopio Herramientas de trabajo como alicates, destornilladores, etc. 1.5 Metodología Con el fin de cumplir con los objetivos descritos anteriormente, se desarrollará una metodología lo más óptima posible. A continuación se plantearán distintos sub-apartados con las soluciones propuestas para la consecución de los objetivos del proyecto Búsqueda de los protocolos de comunicación Para que los dispositivos puedan gestionar de manera óptima el consumo energético, debe existir alguna manera para recibir información acerca de las consignas del cliente así como de referencias externas. Para ello el sistema dispondrá de una comunicación WIFI gracias a la cual se obtendrá información acerca de las preferencias del consumo energético. Por otro lado se buscarán los protocolos más adecuados para la comunicación entre los propios dispositivos, que debe ser además bidireccional para aumentar la seguridad y tener un mayor potencial de mejora del sistema. Javier Arancibia García Página 40

41 Memoria. Introducción Creación de los dispositivos del sistema Una vez determinados los protocolos más adecuados, se llevará a cabo la creación de los distintos dispositivos del sistema que serán los encargados de obtener información y de actuar sobre los electrodomésticos o sobre cualquier aparato que consuma energía eléctrica. Éstos deberán ser capaces de recibir y dar información al dispositivo central del sistema. Deben además ser capaces de interrumpir, habilitar o regular el consumo energético de distintas cargas Creación del dispositivo central del sistema A continuación se creará el dispositivo central del sistema que será el que reciba las consignas del cliente y la información externa necesaria para optimizar el consumo energético. Será también el encargado de, a partir de la información que recibe, transmitir las acciones oportunas a los dispositivos del sistema para mejorar el gasto energético Desarrollo de software para el almacenamiento histórico del consumo eléctrico Por último habrá que elegir de qué manera se van almacenar los datos acerca del consumo energético que hayamos tenido con anterioridad para que se pueda mejorar en el futuro. Javier Arancibia García Página 41

42 Memoria: Arquitectura del Capítulo 2 Arquitectura del Home Energy Management System. Energy Box Para explicar la artquitectura del Home Energy Management System se procederá en primer lugar a explicar la arquitectura de dicho sistema, después la arquitectura de control y finalmente se explicará un caso de uso concreto. 2.1 Arquitectura del sistema Con el fin de entender la arquitectura del sistema planteado, realizaremos una descripción de su arquitectura y justificaremos la misma Descripción El Home Energy Management System es un sistema capaz de monitorizar, optimizar y medir el consumo eléctrico en un hogar. En principio el sistema está orientado a la integración en hogares, por las dimensiones y características de los mismos, aunque puede servir como sistema base para poder gestionar por ejemplo grandes edificios. Existen dos módulos diferentes dentro del sistema: el dispositivo central y los subdispositivos. Cada sistema posee un único dispositivo central, sin embargo existen tantos subdispositivos como cargas eléctricas que se quieran monitorizar en un hogar. En la Figura 5 se muestra la arquitectura del sistema. Como se puede observar, en primer lugar el usuario y/o sistemas de agregación (i.e. comercializadora, distribuidora, etc.) se comunican con el dispositivo central a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas Wi-Fi. A continuación el dispositivo central a su vez se comunica con los subdispositivos del sistema utilizando en este caso el estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee. Finalmente los subdispositivos irán eléctricamente conectados a las distintas cargas eléctricas del hogar, lo que permitirá actuar sobre ellas según sea necesario. Javier Arancibia García Página 42

43 Memoria: Arquitectura del Usuario Sistema de Agregación Módulo Wi-Fi Comunicaciones Dispositivo Central Módulo Sistema Agentes externos Tablero Eléctrico Subdispositivo 1... Módulo ZigBee Comunicaciones Subdispositivo N Módulo Sistema Cargas individuales Cargas/Circuitos de Actuación Figura 9. Arquitectura de funcionamiento del Home Energy Management System En la Figura 5 es importante notar el sentido de las flechas ya que indica la manera en la que la información fluye dentro del Home Energy Management System. La comunicación por Wi-Fi entre el usuario y/o comercializadora y el dispositivo central es bidireccional ya que ambos reciben y dan información. Así pues el usuario y/o comercializadora envían órdenes al dispositivo central, el cual las recibe y actúa según convenga, y también reciben información sobre el estado del consumo eléctrico en tiempo real por parte del dispositivo central, el cual envía dicha información a través del análisis realizado sobre el estado de las cargas eléctricas de la casa. Esta comunicación bidireccional ocurre de manera similar entre el dispositivo central y los subdispositivos. Parece razonable que la monitorización y medición del consumo eléctrico de cada carga se realiza de forma unidireccional, ya que en principio consideramos que las cargas sobre las que el sistema actúa no son capaces de enviar información por ellas mismas (a pesar de que en la actualidad existan electrodomésticos que si poseen esta funcionalidad, pero son una minoría). Por lo tanto son los propios subdispositivos los encargados de medir el consumo eléctrico y de actuar sobre una carga puntual. Javier Arancibia García Página 43

44 Memoria: Arquitectura del Justificación Una vez descrita la arquitectura del sistema, es necesario justificar por qué se ha elegido este tipo de arquitectura y no otra. En primer lugar justificaremos la arquitectura empleada para que el sistema se pueda integrar con un usuario o agentes externos como una comercializadora eléctrica. Tanto el usuario y/o comercializadora emplearan un ordenador (en caso del usuario podría ser su propio ordenador personal o Smartphone y en caso de la comercializadora podría ser un ordenador central) para acceder al Energy Box a través de un protocolo de comunicaciones inalámbricas lo más estandarizado, barato y potente posible. Para ello se ha decidido utilizar el estándar de protocolo de comunicaciones Wi-Fi ya que es el que mejor se adapta a dichas características. Por otro lado, los integrantes, como ya hemos citado previamente son por un lado el usuario y/o la comercializadora y por otro lado el dispositivo central. La participación del usuario es fundamental ya que será quien elija cómo gestionar el consumo de energía eléctrica en el hogar dando las órdenes que considere necesarias. Por otro lado la comercializadora eléctrica tiene también un papel importante ya que gracias a ella el sistema puede conocer cuál es el coste por kwh y podría también gestionar el consumo eléctrico del hogar a partir de programas de gestión de la demanda que permitan un uso más eficiente de los recursos por parte del sistema allanando lo máximo posible los picos en la curva de la demanda en horas puntas de consumo e incentivando por ello a los usuarios que participan en este tipo de programas. Por otro lado el dispositivo central, como ya hemos visto, es único. De lo contrario, el usuario y/o comercializadora se tendrían que comunicar directamente con los subdispositivos conectados eléctricamente a las cargas puntuales (por ejemplo una lavadora, luces de un cuarto, etc.), a través de Wi-Fi por lo que cada subdispositivo debería tener instalado el hardware necesario para la comunicación por Wi-Fi, lo cual elevaría considerablemente el precio del sistema al existir numerosos subdispositivos en un mismo sistema. Finalmente justificaremos la arquitectura empleada dentro del propio sistema. En principio el sistema planteado pretende estar instalado en un hogar, así que teniendo en cuenta las dimensiones del mismo, el uso del estándar de protocolo de comunicaciones Javier Arancibia García Página 44

45 Memoria: Arquitectura del inalámbricas para área personal ZigBee parece el más apropiado ya que posee suficiente potencia como para alcanzar las longitudes necesarias y minimiza significativamente el consumo eléctrico de sus comunicaciones. Para gestionar las órdenes y la información que fluye dentro del propio sistema participan: el dispositivo central y los subdipositivos. Como las órdenes del sistema las recibe el dispositivo central, éste será el encargado de gestionarlas según las prioridades establecidas por el usuario y después reenviarlas nuevamente a los distintos subdispositivos para que actúen sobre las cargas. No hay necesidad por tanto de que los subdipositivos estén conectados unos con otros, lo que hace que la arquitectura maestro-esclavo sea la más adecuada. 2.2 Arquitectura de Control Para controlar las distintas acciones que se llevan a cabo en el sistema, distintos componentes que lo componen envían y reciben señales tanto analógicas como digitales. En la Figura 6 se muestra el esquema de control del dispositivo central del Home Energy Management System. Comunicaciones Módulo Wi-Fi SPI_2 Módulo Sistema Módulo ZigBee SPI_1 dspic33jf32mc802 AN_0 AN_1 AN_2 AN_N-1 Transformador Corriente 1 Transformador Corriente 2 Sensores Transformador Corriente 3 Transformador Corriente N Figura 10. Arquitectura de control del dispositivo central Javier Arancibia García Página 45

46 Memoria: Arquitectura del El usuario y/o el sistema de agregación se comunicación a través del estándar de protocolo de comunicaciones Wi-Fi con el módulo de conexión W-Fi MRF24WB0MA, integrado en el dispositivo central a través de su tarjeta madre. El dispositivo central se comunica con la tarjeta madre de conexión Wi-Fi a través del bus estándar de comunicaciones SPI. Del mismo modo se comunica con el módulo de ZigBee MRF24J40MA también a través del bus de comunicaciones SPI. Por otro lado el transformador de corriente envía la señal analógica correspondiente a la tensión que cae en la resistencia colocada a la salida del secundario al puente rectificador. Éste envía la onda rectificada, de manera que no existan tensiones negativas, a uno de los pines del convertidor analógico digital del microcontrolador. A continuación la Figura 7 muestra la arquitectura de control del subdispositivo del sistema. Comunicaciones SPI_1 Módulo ZigBee Módulo Sistema AN_0 AN_1 dspic33jf32mc202 Digital I/O Sensor Transformador Corriente Tensión Efecto Hall Sensores Relé 50 A Relé 16 A Actuadores Relé Estado Sólido Figura 11 Arquitectura de control del subdispositivo El subdispositivo se comunica con el dispositivo central a través del módulo de radio frecuencia MRF24J40MA por medio del bus SPI. El subdispositivo envía señales Javier Arancibia García Página 46

47 Memoria: Arquitectura del digitales tanto a los relés biestables como al relé de estado sólido para que estos actúen de manera apropiada. El transformador de tensión recibe en el primario la tensión de la red y envía la tensión del secundario de menor amplitud al puente rectificador. Éste rectifica las tensiones negativas y envía la señal analógica a un pin correspondiente al convertidor analógico digital del microcontrolador. El sensor de efecto Hall proporciona una tensión de salida según la intensidad de entrada que reciba, pero la tensión es siempre mayor que cero. Por tanto su salida se conecta directamente también a un pin del convertidor analógico digital del microcontrolador. 2.3 Casos de uso Se procederá a explicar un caso de uso del Home Energy Management System en un hogar. El sistema consiste, en primer lugar, en instalar el dispositivo central en el tablero eléctrico del hogar o del edificio. Por otro lado se instalarán tantos subdispositivos como cargas eléctricas se deseen monitorizar. Por ejemplo se puede monitorizar una lavadora, una secadora, regular la intensidad luminosa de unas lámparas, monitorizar la calefacción eléctrica, el aire acondicionado, etc. Es importante destacar que también sería posible gestionar la carga de un coche eléctrico por ejemplo, o habilitar o interrumpir el funcionamiento de una bomba de piscina ya que los subdispositivos pueden monitorizar cargas monofásicas de alto consumo. En la Figura 8 podemos ver un ejemplo de instalación del Home Energy Management System en un hogar. Javier Arancibia García Página 47

48 Habitación 3 Baño Aseo Memoria: Arquitectura del Extras: Piscina Jardín Garaje (Coche Eléctrico) 6 Tablero Eléctrico Habitación Cocina 1 5 Habitación Salón Recibidor Luz 1 Lavadora 2 Secadora 3 Calefacción Eléctrica 4 Aire Acondicionado 5 Coche eléctrico 6 Extras 7 Dispositivo Central Subdispositivo Figura 12 Instalación del Home Energy Management System en un hogar de 144 m2 Como podemos observar en la figura se detalla dónde irán instalados los módulos del sistema y el tipo de cargas que se pretenden gestionar. La planta del edificio corresponde a un hogar de 144 m 2 en la calle Balmes de Barcelona, España. Javier Arancibia García Página 48

49 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Capítulo 3 Tarjeta subdispositivo del sistema Para que el Home Energy Management System adquiera información más específica del consumo de cargas concretas y actúe sobre ellas para conseguir el consumo eléctrico más eficiente posible, es necesaria la existencia de unos módulos que hemos denominado subdipositivos. Como ya hemos dicho anteriormente, el Home Energy Management System posee tantos subdispositivos como cargas eléctricas que se quieran monitorizar en un hogar Funcionalidades Los subdispositivos tienen diversas funcionalidades para monitorizar cargas eléctricas puntuales Conexión y desconexión eléctrica de una carga Una funcionalidad básica del subdispositivo será habilitar o interrumpir el consumo eléctrico de cualquier carga eléctrica de un hogar, pudiendo por las características que más tarde explicaremos, monitorizar cargas que consuman hasta 50 amperios de corriente alterna Regulación del consumo eléctrico de una carga Regular el consumo de una carga puede ayudar notablemente a optimizar la gestión eléctrica de un hogar. En este caso se podrán regular cargas que consuman hasta 16 amperios de corriente alterna Medida del consumo eléctrico de una carga La medida del consumo se realizará de cargas que consuman un máximo de 16 amperios de corriente alterna Comunicaciones ZigBee Por último la tarjeta será capaz de comunicarse a través de ZigBee dentro del sistema de forma inalámbrica. Javier Arancibia García Página 49

50 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema 3.2 Diseño Se realizaron diversos diseños de la tarjeta de control de potencia del subdispositivo antes de llegar a la versión definitiva de la misma. Antes de diseñar la tarjeta de control de potencia definitiva, se hicieron diversas pruebas con tarjetas fabricadas en el taller de la universidad. Después de realizar las pruebas pertinentes, se diseño la versión definitiva de la tarjeta y fue mandada a fabricar por una empresa especializada. En la Figura 13 podemos ver el diseño de la versión de la tarjeta anterior a la definitiva, incluyendo los componentes empleados. Figura 13 Parte del diseño de una versión no definitiva de la tarjeta de control de potencia del subdispositivo Se realizaron diversas pruebas con este diseño y no se encontraron errores ni problemas relacionados por ruido o interferencias. Todos los componentes son los mismos que en la versión definitiva menos un relé de 2 amperios que se puede ver en la esquina inferior izquierda de la tarjeta, que finalmente se decidió no utilizar en la última versión porque era más conveniente la utilización de relés con un valor de intensidad máxima superior. El diseño definitivo de la tarjeta de control de potencia trató de reducir al máximo las Javier Arancibia García Página 50

51 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema dimensiones de la tarjeta por lo que se procedió a rediseñar la misma. Por otro lado se rediseñó el circuito del transductor de corriente y se incorporó en el diseño el uso de un relé biestable de doble bobina de 16 amperios. Finalmente se dejó espacio cerca del relé de estado sólido para la posible incorporación de un snubber. En la Figura 14 podemos ver los cambios anteriormente mencionados en el diseño de la tarjeta de control de potencia definitiva del subdispositivo. Figura 14 Parte del diseño de la versión definitiva de la tarjeta de control de potencia del subdispositivo En este último diseño se consiguió, además de la correcta implementación de los cambios anteriormente explicado, separar de manera más apropiada los circuitos de corriente continua y corriente alterna y optimizar la disposición espacial de los elementos electrónicos en la tarjeta. El diseño de la placa de circuito impreso es igual para todos ellos. Sin embargo, dependiendo del tipo de carga que quieran monitorizar se elegirán unos componentes electrónicos u otros y se cableará la propia tarjeta de forma específica. Por ejemplo el subdispositivo conectado a la lavadora necesitaría habilitar e interrumpir su consumo, por lo que todos los componentes utilizados para regular una carga no harían falta soldarlos en la tarjeta. Javier Arancibia García Página 51

52 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Por otro lado en la Figura 15 se muestra el circuito de alterna diseñado en la tarjeta de control de potencia del subdispositivo para poder actuar sobre cargas monofásicas de 230 voltios de valor eficaz. Transductor de Corriente Relé 16 A / 50 A Relé Estado Sólido Transformador de Tensión 5 V 0 V LTS 15-NP OUT SCHRACK / JE HSTL2 AC 1 AC 2 S202S01F V 6 V VB 0,5/1/6 230 V 0 V AC Conector AC_L AC_N AC_CARGA Fusible 1 MST 1.6A 2 250V Fuente de Tensión 3.3 V AC_L 0 V 5 V AC_N TMLM CARGA Figura 15 Circuito de corriente alterna del subdispositivo para la monitorización de cargas monofásicas Como podemos ver, tanto el transformador a la izquierda del circuito como la fuente se encuentran en paralelo con la tensión alterna de 230 voltios de valor eficaz. Por otro lado es importante notar que tanto el transductor de corriente como los relés se encuentran conectados en serie con la fase AC_L, por lo que según el estado de los relés la carga se conectará o no a la fase AC_L y por tanto recibirá una tensión alterna de 230 voltios de valor eficaz Alimentación Los subdispositivos irán colocados en el enchufe del hogar, conectando posteriormente las cargas a éstos. Por lo tanto, la tensión de entrada de los subdispositivos será 230 voltios de valor eficaz de corriente alterna. La tensión de alimentación de los componentes electrónicos que vamos a emplear para monitorizar las cargas es de 3.3 voltios o 5 voltios. Así pues necesitamos una fuente de tensión que sea capaz de convertir los 230 voltios de entrada del enchufe a 5 y 3.3 voltios para que los componentes funcionen correctamente. Del mismo modo la fuente de tensión debe ser capaz de suministrar suficiente corriente para los distintos componentes del subdipositivo como los relés, el microcontrolador, etc,. También la fuente debe ser lo Javier Arancibia García Página 52

53 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema más pequeña posible para minimizar al máximo el tamaño de la tarjeta. Por lo tanto, una vez definidas las características de la fuente de tensión se realizó una amplia búsqueda y finalmente se eligió el modelo TMLM de TRACOPOWER. En la Figura 16 muestra el circuito de alimentación. Microcontrolador dspic33fj32mc202 Módulo ZigBee MRFJ24J40MA AC_L Sensor de corriente Efecto Hall LTS 15-NP 3.3 V 0 V 5 V AC_L AC_N Fuente de Tensión Fusible 1 MST 1.6A 2 250V AC_N Relés 50 A JE10-1/006-HSTL2 TMLM Relé 16 A SCHRACK Figura 16 Circuito de alimentación del subdispositivo La tensión de entrada de la fuente de tensión viene directamente del enchufe. Así pues es necesario que la carcasa del subdispositivo posea un enchufe y se pueda cablear internamente para acceder a las fases L y N. Por otro lado en la fase AC_L, entre el conector y la fuente de tensión, se ha colocado un fusible de fusión lenta (MST 1.6A 250 V) tal y como se especifica en el datasheet de la fuente de tensión Sensores Para que el subdispositivo pueda medir el consumo eléctrico de la carga puntual que tiene conectada, se ha elegido el transductor de corriente de efecto Hall LEM LTS 15- NP. Este transductor es capaz de medir la corriente instantánea que consume una carga. Es capaz de ajustar distintos rangos para medir cargas con distintos consumos y teniendo la medida la misma precisión. Los rangos posibles para este transductor de corriente son 5 amperios, 7.5 amperios y 15 amperios, dependiendo de la conexión de Javier Arancibia García Página 53

54 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema las bobinas internas del transductor. En la Figura 17 se muestra el esquema de conexionado de las bobinas del LEM LTS 15-NP extraído de su datasheet. Figura 17. Esquema del conexionado de las bobinas del LEM LTS 15-NP según su intensidad nominal La tarjeta del subdispositivo debería poder incorporar alguna manera para poder cambiar el rango de intensidad del transductor en función de la carga conectada. En un primer diseño se realizaron unas conexiones por medio de jumpers para que el rango de intensidad del transductor de corriente de efecto Hall se ajuste lo máximo posible a la corriente nominal de la carga conectada. El diseño definitivo utiliza otra manera para ajustar los rangos de intensidad que veremos a continuación, pero en la Figura 18 podemos ver el diseño inicial del circuito de conexión del transductor de corriente para conseguir los tres rangos posibles de intensidad. Javier Arancibia García Página 54

55 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema JP_N3 (5 A) JP_N2 (7.5 A) AN dspic33fj32mc V OUT 0 V 5 V LTS 15-NP JP_N1 (15 A) JP_N1 (15 A) JP_N2 (7.5 A) JP_N3 (5 A) Figura 18 Circuito del transductor de corriente para la consecución de todos los rangos de intensidad mediante la colocación de jumpers. Finalmente se optó por no utilizar este diseño porque los jumpers no soportan tanta corriente, por lo que se diseñó finalmente el circuito del transductor de corriente según la Figura 19. AN dspic33fj32mc V A OUT 0 V 5 V C LTS 15-NP B D CONEXIÓN 15 A: AB CD CONEXIÓN 7.5 A: AD Figura 19 Circuito del transductor de corriente definitivo Javier Arancibia García Página 55

56 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Mediante un simple cableado entre los cuatro Test Points (A, B, C y D) podemos elegir o el valor máximo o el valor intermedio de corriente nominal de funcionamiento del transductor de corriente. Por otro lado podemos ver que el transductor de corriente está alimentado a 5 voltios y que su salida va directamente conectada a uno de los pines del convertidor analógico digital del microcontrolador, en este caso al AN0. A partir del valor eficaz de la corriente de la carga, el transductor de corriente de efecto Hall proporciona una tensión media de salida que es función lineal de dicho valor eficaz de la corriente. Por ejemplo si la tensión media de salida es de voltios quiere decir que el valor eficaz de la intensidad que circula a través del transductor es la nominal (5, 7.5 o 15 A). En caso de que el transductor no mida corriente, la tensión media de salida será de 2.5 voltios. En la Figura 20 se ve la curva, extraída del datasheet del transductor de corriente de efecto Hall LEM LTS 15-NP, que relaciona la tensión de salida en función de la intensidad de entrada al transductor. Figura 20 Curva característica del transductor de corriente de efecto Hall LEM LTS 15-NP A partir de la gráfica anterior, podemos obtener la expresión que relaciona la intensidad que circula por el transductor con la tensión media de salida. (1) Javier Arancibia García Página 56

57 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Una vez calcula el valor eficaz podemos calcular la potencia consumida por la carga conectada al subdispositivo. Supondremos que el factor de potencia en las cargas que vamos a monitorizar es en general prácticamente igual a la unidad por lo que obtenemos la siguiente expresión: (2) Si conectamos una carga monofásica al subdispositivo, tensión de salida V OUT del transductor es una señal senoidal por lo que necesitamos obtener su valor medio para poder obtener el valor eficaz de la corriente consumida por la carga a partir de la Ecuación 1 y finalmente el valor de la potencia consumida. En la Figura 21 se muestra el diagrama de flujo correspondiente al algoritmo para obtener la potencia que consume la carga. Inicialización Convertidor AD Cálculo Vmedia [Hex] Conversión V media [V] Cálculo Ief Cálculo P [W] Medida AN0 t-1 = Medida AN0 NO Medida AN0 NO MIN = Medida AN0 SÍ Medida AN0 < MIN NO Medida AN0 > Medida AN0 t-1 SÍ Medida AN0 > MAX SÍ MAX = Medida AN0 Figura 21 Diagrama de flujo correspondiente al algoritmo para calcular la potencia consumida por una carga resistiva Javier Arancibia García Página 57

58 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Actuadores Los subdispositivos son capaces de habilitar, interrumpir y regular el consumo eléctrico de una carga específica. Para ello se han elegido dos tipos de relés distintos: relé biestable de doble bobina y relé de estado sólido. Cada uno posee unas características específicas que les hacen ideales para habilitar e interrumpir el consumo eléctrico (usando en este caso un relé biestable de doble bobina) y regular el consumo eléctrico de una carga (haciendo uso de un relé de estado sólido). A continuación procederemos a explicar cómo funcionan cada uno de los componentes y por qué son los más adecuados para llevar a cabo una función específica del subdispositivo Relé biestable de doble bobina Este tipo de relé es el encargado de llevar a cabo la habilitación e interrupción del consumo eléctrico de una carga cualquiera. Como puede haber cargas en el hogar que consuman más intensidad que otras, se ha decidido diseñar la tarjeta para que en la misma se pueda usar un relé de más consumo u otro de menor consumo, dependiendo del consumo de la carga que está conectada al subdispositivo. Se han elegido por tanto dos relés biestables de doble bobina, ambos con una tensión de conmutación de al menos 250 voltios en corrientes alterna. El primero de ellos es el SCHRACK , el cual posee una corriente máxima de conmutación de hasta de hasta 16 amperios. El segundo es el JE10-1/006-HSTL2, que es capaz de conmutar hasta una intensidad máxima de 50 amperios de corriente alterna. La corriente máxima que puede suministrar un enchufe de un hogar depende del circuito de utilización al que esté conectado. Según el reglamento electrotécnico de baja tensión, ITC-BT-25 Tabla 1, la potencia máxima permisible en circuito como calefacción o aire acondicionado es de 5750 W, lo cual supone un consumo de 25 amperios si el factor de potencia es igual a la unidad. Por lo tanto el relé de 50 amperios podría habilitar o interrumpir sin problema el consumo eléctrico de cualquier circuito del hogar. Puede parecer que un relé de 50 amperios está sobredimensionado para el uso que se quiere hacer en el sistema, sin embargo, después de analizar diversos relés, ninguno poseía las características que se necesitan para el uso en el sistema y además las dimensiones del relé que hemos Javier Arancibia García Página 58

59 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema seleccionado no difieren mucho de las observadas en relés con una intensidad máxima superior a 25 amperios. La Tabla 1 que se muestra a continuación se ha obtenido a partir de la tabla 1 de la instrucción técnica complementaria 25 del reglamento electrotécnico para baja tensión, correspondiente a instalaciones interiores en viviendas. Se han detallado la explicación al final de la tabla de solamente los puntos 1 y 2 que son los que nos interesan. En verde se ha destacado la información relevante que indica qué circuitos poseen hasta una potencia máxima de 5750 W. Tabla 1 Extracto de la tabla 1 de la instrucción técnica complementaria 25 del reglamento electrotécnico para baja tensión Los relés biestables de doble bobina tienen una serie de características que les hacen muy adecuados para nuestra aplicación. Al tener dos bobinas incorporadas es posible conmutar el relé a un estado u otro suministrando un único pulso en el pin del relé adecuado, de duración determinada en el datasheet del relé que se vaya a utilizar. Así pues el consumo para conmutar el relé tiene lugar sólo durante el tiempo en el que se Javier Arancibia García Página 59

60 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema envía un pulso, minimizando así al máximo el consumo en la utilización de los relés. Para poder usar un relé biestable de doble bobina, es necesario incorporar un circuito de transistores como el que se muestra en la Figura V 1N4001 RESET R TRANSISTOR dspic33fj32mc R 5 V 1N4001 SET TRANSISTOR Figura 22 Circuito empleado para la utilización de relés biestables de doble bobina Partiendo de las especificaciones en el datasheet de los dos relés de 15 amperios y 50 amperios de corriente máxima conmutación, hemos calculado de la siguiente manera los valores de las resistencias y transistores para la correcta utilización de cada relé. La resistencia de la base podemos calcularla como: (3) Javier Arancibia García Página 60

61 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Necesitamos por tanto la Intensidad de la base, la cual depende del transistor empleado. La intensidad de la base está relacionada con la intensidad del colector según el factor de amplificación β (h FE en los datasheet). Para asegurarnos de que el transistor conduce impondremos que la diez veces la nominal para que el transistor conduzca, por tanto tendremos: (4) La intensidad de colector vendrá dada por la intensidad que consuma cada bobina tanto del relé de 5 amperios como la del relé de 50 amperios. A partir de la potencia que consume cada bobina, podemos calcular la intensidad de colector de la siguiente manera: (5) Queremos estudiar el caso más desfavorable, es decir, el caso en el que la intensidad de colector es máxima ya que dicha intensidad limitará qué transistor es apto para esta aplicación. Viendo el datasheet de ambos relés vemos que para el relé de 16 amperios, cada bobina consume 598 mw, mientras que para el relé de 50 amperios, cada bobina consume 3 W. Por lo tanto la máxima intensidad que podría circular por el colector del transistor es aproximadamente 700 ma. Esto hace que no cualquier transistor sea adecuado para este uso debido a la alta intensidad de colector. Finalmente se eligió el transistor 2N2222, que soporta hasta una intensidad de colector de 800 ma. Como ya hemos fijado el tipo de transistor, tenemos ya el factor de amplificación de dicho transistor que se obtiene de su datasheet según la corriente de colector. Sustituyendo los valores hallados en las ecuaciones anteriores, obtendremos finalmente los valores de las resistencias de base para cada relé. La siguiente Tabla 2 indica los valores de la intensidad de colector, el factor de amplificación, la intensidad de la base, la resistencia de la base teórica y la resistencia de la base que se ha elegido finalmente. Tipo Relé I COLECTOR β I BASE [ma] R BASE TEÓRICA R BASE Javier Arancibia García Página 61

62 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema [ma] [Ω] ELEGIDA [Ω] Relé 16 A Relé 50 A Tabla 2 Características eléctricas del circuito empleado para los relés biestables de doble bobina Los valores de las resistencias elegidas son distintas a los valores calculados teóricamente porque se realizaron distintas pruebas hasta conseguir el valor de resistencia mayor que funcionaba correctamente para limitar así el consumo de corriente y por tanto la potencia consumida por los relés al utilizarlos. Finalmente en la Figura 23 se puede ver el diagrama de flujo correspondiente a la interrupción y habilitación del consumo eléctrico de una carga. Inicialización Timer Inicialización Convertidor AD Inicialización Señales Relés Relé SET = 0 Interrupción Relé RESET = 0 Relé SET = 0 Relé RESET = 1 NO Orden Habilitación Consumo SÍ Relé SET = 1 Relé RESET = 0 Figura 23 Diagrama de Flujo para la interrupción y habilitación del consumo eléctrico de una carga Relé estado sólido El relé de estado sólido es un dispositivo de control ON-OFF que está compuesto por un diodo emisor infrarrojo, un Triac foto-detector y un Triac principal de salida. Este tipo de relés son ideales para controlar cargas de alta tensión en alterna donde el número de conmutaciones es muy elevado y por tanto un relé electromecánico típico no sería apropiado ya que se generaría un gran desgaste mecánico por parte del mismo. Por lo tanto, debido a sus características anteriormente mencionadas, los relés de estado sólido son apropiados para regular el consumo eléctrico de una carga. Por ejemplo las cargas luminosas deben ser reguladas de manera que el ojo humano no perciba su parpadeo, por lo que la frecuencia de apertura y cierre del relé debe ser suficientemente Javier Arancibia García Página 62

63 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema elevada. Durante este proyecto se investigaron distintas formas de regular una carga monofásica en corriente alterna a través de un microcontrolador y se llegó a la conclusión de que el uso de un relé de estado sólido sería lo más conveniente. Simplemente dando una señal digital de entrada al relé de estado sólido de 0 V o 3.3 V en el momento adecuado, podemos cambiar su estado de abierto a cerrado. Se realizaron distintas pruebas con dos tipos de relés de estado sólido: Zero-Crossing y Random Turn-On. La diferencia entre ambos radica en la rapidez en el que el relé puede cerrarse. Los dos relés sin embargo son capaces de abrirse como muy pronto cada diez milisegundos, esto es, cada vez que la tensión pase por cero. Por lo tanto el relé Zero- Crossing podrá abrirse o cerrarse como muy pronto cada diez milisegundos, ya que necesita que la tensión pase por cero para cambiar su estado de abierto a cerrado y viceversa. Sin embargo el relé Random Turn-On puede cerrarse en cualquier momento, es decir sin necesidad de que la tensión pase por cero, y podrá abrirse como ya hemos dicho en el momento que la tensión pase por cero, como pronto cada diez milisegundos. Con el relé de estado sólido Zero-Crossing sólo se puede conseguir una regulación del 50 %, sin embargo con el Random Turn-On podemos conseguir cualquier tipo de regulación. Así pues para regular el consumo de una carga se optó por el uso de un relé de estado sólido tipo Random Turn-On. Se buscaron los relés de estado sólido con esta funcionalidad de montaje PCB y con el menor tamaño posible para ocupar el mínimo espacio en la tarjeta. Finalmente se eligió el relé de estado sólido Random Turn On S202S01F. Éste puede regular hasta cargas que consuman 8 amperios de corriente alterna. Sin embargo, existe también otra versión del componente con dimensiones exactamente iguales que permite regular cargas que consuman hasta 16 amperios En la Figura 24 podemos ver cómo funciona el relé de estado sólido Zero-Crossing. Javier Arancibia García Página 63

64 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Figura 24 Principio de funcionamiento del relé de stado sólido "Zero-Crossing" Vemos que según la señal de entrada en el momento en el que la tensión de la carga pase por cero, cambiamos el estado del relé de abierto a cerrado. Por otro lado en la Figura 25 podemos ver cómo funciona el relé de estado sólido Random Turn-On Figura 25 Principio de funcionamiento del relé de stado sólido "Random Turn-On" Vemos que según podemos cerrar el relé en cualquier momento mediante una señal de entrada mayor que 0 voltios y abrirlo mediante una tensión de 0 voltios en el momento Javier Arancibia García Página 64

65 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema en el que la tensión alterna conectada en dos de los terminales del relé de estado sólido pase por cero. El circuito necesario para el correcto funcionamiento del relé de estado sólido que estamos empleando es el correspondiente a la Figura 26. Relé Estado Sólido S202S01F dspic33fj32mc CARGA R C Regulador Carga AC Figura 26 Circuito del relé de estado sólido S202S01F Como podemos observar dos de las patas del dispositivo van a un circuito de corriente alterna y las otras dos a un circuito de corriente continua. Los valores tanto de la resistencia como del condensador conectados en paralelo con la carga y la fuente de tensión alterna, según el datasheet del dispositivo son: R = 47 Ω C = µf Para dar el pulso que activa el consumo de la carga en el momento adecuado, se probó en un principio una señal PWM con una frecuencia igual a la red, es decir 50 Hz. Sin embargo, debido a las pequeñas variaciones que puede sufrir la frecuencia de la red y a los errores de precisión del módulo PWM, no se consiguió que la regulación se produjera correctamente a través de la utilización de dicho módulo PWM. Javier Arancibia García Página 65

66 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Con el fin de solucionar el problema anterior, se procedió a utilizar otro método para poder suministrar el pulso de manera apropiada. Para ello se decidió medir la tensión de la carga ya que ello permitiría enviar un pulso determinado según el valor de la tensión que nos interese para regular la carga de la manera más precisa posible. Para ello se diseño un circuito con un transformador de tensión de montaje PCB, un puente rectificador y un divisor de tensión. El puente rectificador y el divisor de tensión son necesarios porque la señal a convertir por el microcontrolador debe ser positiva y encontrarse entre los valores 0 y 3.3 voltios. En la Figura 27 podemos observar el circuito completo empleado para la regulación de la carga. R2 Transformador de Tensión R3 Puente Rectificador CARGA R1 Relé Estado Sólido S202S01F C AN V 0 V 6 V VB 0,5/1/6 0 V dspic33fj32mc202 Regulador Carga AC Figura 27 Circuito completo diseñado para la regulación de una carga monofásica A partir del muestreo de la tensión que está recibiendo la carga, podremos conocer los valores de tensión que la carga está consumiendo en cada instante y así suministrar un pulso al relé de estado sólido en el momento adecuado para habilitar o interrumpir el consumo de la carga suficientemente rápido como para que el ojo humano no perciba por ejemplo la regulación de una carga luminosa. Javier Arancibia García Página 66

67 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema En la Figura 28 podemos ver el diagrama de flujo del algoritmo empleado para regular el consumo de una carga mediante un relé de estado sólido. Inicialización Convertidor AD Inicialización Timer Señal Relé Estado Sólido = 0 NO Regulación < 50% SÍ SÍ Regulación > 50% Lectura Tensión= 0 Esperar 5 ms Lectura Tensión Valor NO Señal Relé Estado Sólido = 1 SÍ SÍ Lectura Tensión Valor NO Señal Relé Estado Sólido = 1 Lectura Tensión Valor - x NO SÍ SÍ Lectura Tensión Valor + x NO Señal Relé Estado Sólido = 0 Señal Relé Estado Sólido = 0 Figura 28 Diagrama de flujo del algoritmo para la regulación de la carga Como podemos ver según la regulación sea mayor o menor que un 50%, se procede a ejecutar unas instrucciones u otras. A continuación enseñaremos la señal muestreada y enviada al relé de estado sólido para dos regulaciones inferiores a un 50%. Javier Arancibia García Página 67

68 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Figura 29 Señales muestreadas con el osciloscopio para una regulación de un 10 % aproximadamente En la Figura 29 vemos como el pulso positivo enviado se realiza poco antes del próximo paso por cero de la tensión, consiguiendo así una regulación de aproximadamente un 10%. Javier Arancibia García Página 68

69 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Figura 30 Señales muestreadas con el osciloscopio para una regulación de un 30 % aproximadamente Finalmente en la Figura 30 podemos apreciar cómo el pulso se suministra antes que en la Figura 29, por lo que la carga consumirá más potencia, en este caso alrededor de un 30% de su potencia total Comunicaciones Los subdispositivos deben ser capaces de comunicarse con el dispositivo central para poder recibir órdenes y para enviar información referente a la carga que gestionan de manera individual. Como ya hemos mencionado anteriormente, la comunicación deberá ser inalámbrica, de bajo consumo y de suficiente alcance como para comunicarse dentro de un hogar. Estas características hacen que el estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas ZigBee sea el más adecuado. Una vez elegido el protocolo de comunicaciones, se procedió a la elección del módulo de radio más adecuado para llevar a cabo esta función. Éste debe ser capaz de ocupar el mínimo espacio en la tarjeta y de ser controlado por el microcontrolador dspic33fj32mc202. Se hizo una consulta a Microchip acerca de la diferencia entre los Javier Arancibia García Página 69

70 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema módulos que vende la compañía y se buscó información en la web oficial de Microchip acerca de todos los módulos de radio para ZigBee posibles. En la Tabla 3 se muestra un resumen de la información acerca de los distintos módulos potencialmente necesarios en el sistema. Módulo Radio Precio [$] Frecuencia Potencia salida [dbm] TX Consumo potencia [ma] RX Consumo potencia [ma] MRF24J40MA GHz MRF24J40MB GHz MRF89XAM8A MHz MRF24J40MC GHz Rango MRF49XA /868/915 MHz /60/60 MRF89XAM9A MHz Tabla 3 Consumos, precio y rango de alcance de distintos módulos de ZigBee de Microchip Como podemos ver la tabla muestra información muy detallada acerca del alcance, potencia de salida y consumos. Como podemos ver en la Tabla 3, el módulo MRF89XAM8A es el que menos consume de todos los módulos de radio para ZigBee posibles. Sin embargo, como vemos, como también podemos observar en la Tabla 3 de momento no se tienen datos acerca del alcance del módulo. Sin embargo a priori esto último no sería un problema ya que se iban a realizar varias pruebas donde se podría ver el alcance de este módulo (que suponíamos que en principio iba a ser parecido al del resto de módulo de radio). Por lo tanto en un principio se probó el módulo MRF89XAM8A. El módulo opera a una frecuencia de 868 MHz y se comunica con el microcontrolador a través de una interfaz SPI. Se trató de adaptar el protocolo MiWi (Microchip Wireless) al hardware diseñado, donde se incluyó el módulo MRF89XAM8A. En la Figura 31 podemos ver el diseño de la primera tarjeta que incluía el módulo MRF89XAM8A. [m] Javier Arancibia García Página 70

71 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Figura 31 Diseño de la primera tarjeta para comprobar la comunicación ZigBee con el módulo MRF89XAM8A. La interfaz entre el microcontrolador y el módulo de radio aparece en la Figura 32. Figura 32 Interfaz entre el microcontrolador y el módulo de radio MRF89XAM8A Es importante notar el sentido de las flechas para ver si son señales de entrada o salida al microcontrolador. También podemos ver que hacen falta dos pines de interrupción para la correcta comunicación entre el microcontrolador y el módulo de radio. Javier Arancibia García Página 71

72 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Por otro lado, en la siguiente Figura 33 se muestra una fotografía real de la primera tarjeta diseñada para probar la comunicación a través de Zigbee, con todos los componentes (incluyendo el módulo de radio MRF89XAM8A) soldados en la tarjeta. Figura 33 Fotografía de la primera tarjeta finalizada para comprobar la comunicación ZigBee Tras numerosas pruebas se consiguió comunicar varios módulos y enviar y recibir mensajes determinados. Sin embargo la comunicación era bastante limitada y no conseguía identificar de forma única a los subdispositivos que se iban conectando a la red. Esto se debió a la dificultad a la hora de depurar el código de MiWi ya que los módulos MRF89XAM8A no disponían de un snifer para poder ver información de la red creada a través de un ordenador y una aplicación de Microchip. El snifer facilita enormemente la comprensión del funcionamiento de los módulos de radio ya que permite ver en el ordenador por ejemplo los mensajes que se están enviando y recibiendo de manera inalámbrica, las direcciones de identificación de los módulos, etc. Javier Arancibia García Página 72

73 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema En la Figura 34 se muestra el diagrama de flujo empleado para la comunicación ZigBee a través del módulo MRF89XAM8A. SendMessage (Mensaje) Definición del canal Definición del Mensaje Inicialización del SPI1 Inicialización esclavo Botón pulsado SÍ NO GetMessage () Figura 34 Diagrama de Flujo de comunicación a través de ZigBee con el módulo MRF89XAM8A Todas las declaraciones de las funciones que fueron necesarias para establecer la comunicación a través del módulo MRF89XAM8A se muestran más adelantes en el punto 3.3 Programación del dspic33fj32mc202. El snifer anteriormente mencionado capaz de conectar un ordenador con el módulo inalámbrico de Microchip sólo está disponible para módulos que operen a 2.4 GHz IEEE Por lo tanto se decidió cambiar de módulo inalámbrico y diseñar los subdispositivos con el módulo MRF24J40MA. Las dimensiones físicas son exactamente iguales que el anterior, así como las recomendaciones sobre la medida del plano de tierra, zonas restringidas, etc. Cambia sólo alguna conexión con el microcontrolador que no supuso grandes cambios en el diseño de la tarjeta. Quizás el único cambio notable es el uso de un único pin de interrupción para comunicar el microcontrolador con el módulo de radio MRF24J40MA, a diferencia del módulo MRF89XAM8A que necesitaba dos pines de interrupción en el microcontrolador. En la Figura 35 podemos ver el interfaz entre el microcontrolador y el módulo de radio MRF24J40MA extraído de su propio datasheet. Javier Arancibia García Página 73

74 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Figura 35 Interfaz entre el microcontrolador y el módulo de radio MRF24J40MA Usando el módulo de radio MRF24J40MA se consiguió identificar a los subdipositivos que se iban conectando a la red con una dirección determinada, crear una comunicación robusta y bidireccional para mejorar la seguridad en la comunicación entre el dispositivo central y los subdispositivos y conseguir programar los subdispositivos adecuadamente para que cumplan las órdenes enviadas por el dispositivo central como regular la cargar, interrumpir el consumo, etc. A continuación, en la Figura 36 se muestra el diagrama de flujo realizado para conseguir una comunicación robusta y bidireccional a través del protocolo ZigBee. Definición del canal Definición del Mensaje Definición dirección del módulo SÍ IEC0.bits.AD1IE = 0 Comprobación orden Realización orden NO Inicialización del SPI1 Inicialización esclavo NO Mensaje recibido SÍ Mensaje enviado orden cumplida Figura 36 Diagrama de flujo comunicación ZigBee a través del módulo MRF24J40MA Javier Arancibia García Página 74

75 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Cabe destacar la importancia de establecer a cero el valor de IEC0bits.AD1IE ya que anteriormente, debido a las inicializaciones realizadas para establecer la comunicaciones correctamente, el convertidor AD del microcontrolador no funcionaba correctamente. Finalmente en la Figura 37 se muestra en la parte superior de la imagen en rojo capa superior de la tarjeta y en la parte de abajo en azul la capa inferior. El módulo de la radio se encuentra en ambos casos en la esquina superior derecha.y el microcontrolador de la esquina superior izquierda de la tarjeta al centro superior de la misma. TOP LAYER BOTTOM LAYER Figura 37 Conexiones de la tarjeta definitiva entre el módulo MRF24J40MA y el dspic33fj32mc202 En la Figura 26 se pretende mostrar las conexiones entre el módulo de radio y el microcontrolador, aunque aparecen también más conexiones que no nos interesa especificar en este caso. Javier Arancibia García Página 75

76 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema 3.3 Programación del dspic33fj32mc202 A continuación se proporcionarán diversos extractos de código de cada una de las funcionalidades de los subdispositivos. Habilitación e interrupción del consumo eléctrico de una carga void Inicializacion_Timer_1ms(void) { AD1PCFGL=0xFFFF; // todas las salidas digitales TMR1=0; PR1=4000; // termina en 4000 cuentas T1CON=0x8000; // prescalado 0 IFS0bits.T1IF=0; // flag de interrupción a 0 IEC0bits.T1IE=1; // se habilitan interrupciones } Código 1 Inicialización del timer void attribute ((interrupt,no_auto_psv)) _T1Interrupt(void) { IFS0bits.T1IF=0; // limpieza del flag ticks++; if (ticks == 1) { // cambiamos el estado del relé if (opcion == 1){ // abrimos relé RELE_SET=1; RELE_RESET=0; Javier Arancibia García Página 76

77 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema } else{ // cerramos relé RELE_SET=0; RELE_RESET=1; } } if (ticks == 2){ // mandamos un pulso de 1 milisegundo RELE_SET=0; RELE_RESET=0; } } Código 2 Interrupción del timer para habilitar e interrumpir consumo de la carga Regulación del consumo eléctrico void Regulacion(porcentaje){ // Porcentaje vale 20 u 80 (% de regulación) if (LeerAD(0) == 0){ // Comprobamos que la tensión sea nula RELE_SSR = 0; // Inicializamos la señal de entrada ////////////////// 20 % /////////////////////// if (porcentaje == 20){ DelayMs(5); // Esperamos un semiciclo while (LeerAD(0) >= 0x200); // Valor tensión concreta RELE_SSR = 1; while (LeerAD(0) >= (0x200-0x90)); Javier Arancibia García Página 77

78 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema } RELE_SSR = 0; // Damos un pulso ////////////////////20 % //////////////////////// ///////////////// 80 % //////////////////////// if (porcentaje == 80){ while (LeerAD(0) <= 0x200); // Valor tensión concreta RELE_SSR = 1; while (LeerAD(0) <= (0x x90)); RELE_SSR = 0; // Damos un pulso } ///////////////// 80 % //////////////////////// } } Código 3Regulación del consumo eléctrico Medida del consumo eléctrico de una carga puntual void InicializarADC(void) { uc_pinad = 0; AD1CON1bits.ADSIDL = 0; // Continuar funcionando en modo suspensión AD1CON1bits.AD12B = 0; // Utilizar el conversor A/D de 10 bits AD1CON1bits.FORM = 0; // Formato del valor de salida: unsigned int AD1CON1bits.SSRC = 7; // Empezar a convertir al terminar de muestrear AD1CON1bits.ASAM = 0; // No empezar a muestrear AD1CON1bits.SIMSAM = 0; // Muestrear secuencialmente canales CH0 a CH3 Javier Arancibia García Página 78

79 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema AD1PCFGL = 0xFFFD; // Configurar los pines digitales y analógicos AD1CON2bits.VCFG = 0; // Tensiones de referencia: AVdd y AVss AD1CON2bits.CHPS = 0; // Convertir sólo el canal CH0 AD1CON2bits.SMPI = 0; // Interrupción al final de conversión AD1CON2bits.BUFM = 0; // Tamaño del buffer de resultados: 16 bits AD1CON3bits.ADRC = 0; // Reloj ADC = Reloj sistema AD1CON3bits.SAMC = 2; // Tiempo de muestreo: 2*TAD AD1CON3bits.ADCS = 5; // TAD = TCY*(ADCS+1) = ns // Tiempo de conversión = 1.82 us AD1CHS0bits.CH0NA = 0; // Tensión negativa de referencia de CH0 AD1CSSL = 0x0000; // Deshabilitar el escaneado de entradas IPC3bits.AD1IP = PR_INT_ADC; // Prioridad de la interrupción IFS0bits.AD1IF = 0; IEC0bits.AD1IE = 1; // Borrar la bandera de la interrupción // Habilitar las interrupciones del módulo A/D AD1CON1bits.ADON = 1; // Mantener el conversor A/D apagado IFS0bits.AD1IF = 1; // Pongo la bandera de interrupción a 1 } Código 4 Inicialización convertidor AD Javier Arancibia García Página 79

80 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema void attribute ((interrupt, no_auto_psv)) _ADC1Interrupt(void) { IFS0bits.AD1IF = 0; // Borrar la bandera de la interrupción ui_medidasad[uc_pinad] = ADC1BUF0; // Almacenar medidas AD1CHS0bits.CH0SA = 1; AD1CON1bits.SAMP = 1; // Empezar a muestrear } Código 5 Interrupcción convertidor AD Capacidad de comunicación a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee Módulo MRF89XAM8A BYTE InitDevice (BYTE mychannel, int role); // Inicialización del módulo void GetMessage (void); // Recibimos el mensaje void SendMessage (ROM const BYTE MiWi[5][21]); // Enviamos el mensaje int randomize(int value); // Nos conectamos de manera aleatoria a un canal Código 6 Declaración de funciones del módulo MRF89XAM8A Módulo MRF24J40MA int Ini_esclavo(BYTE mychannel,byte id_propia[2],byte id_maestro[2], BYTE TxPow); void MandarMensaje(BYTE *Mensaje, int longitud, BYTE objetivo[2]); void RecibirMensaje(BYTE *Recibido, int dim[1], BYTE rte[2], BYTE intensidad[1], BYTE calidad[1]); BYTE dec2hex(int entrada); Código 7 Declaración de funciones del módulo MRF24J40MA Javier Arancibia García Página 80

81 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema 3.4 Manejo Los subdipositivos poseen un enchufe para permitir que se puedan conectar al enchufe del hogar y para que las cargas eléctricas se puedan conectar a dichos subdispositivos. Así pues posee dos bornes y dos orificios. En la Figura 38 se muestra un esquema para entender cómo se pueden instalar los subdispositvos en un hogar. Enchufe Hogar Cargas Eléctricas Cargas individuales Adaptador Subdispositivo Figura 38 Proceso de conexión para la utilización de los subdispositivos El subdispositivo erá insertado en una carcasa dentro del adaptador, con conexiones internas a los bornes del mismo para que podamos alimentar la tarjeta desde la red monofásica de 230 voltios del hogar. Es importante destacar que se puede ahorrar bastante dinero si se conoce previamente las funcionalidades específicas que van tener los subdispositivos empleados. Habrá cargas que por un lado sólo puedan interrumpir y habilitar su consumo (como por ejemplo lavadoras, lavavajillas, etc.) y otras que por otro lado puedan regular su Javier Arancibia García Página 81

82 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema consumo (como cargas luminosas, calefacción eléctrica, etc.). Por los tanto si se conocen las funcionalidades, se puede elegir qué componentes electrónicos anteriormente descritos se soldarán en la tarjeta y cuáles no. En la Tabla 4 se ha realizado una tabla con los distintos componentes de los que se debe prescindir según las funcionalidades. Javier Arancibia García Página 82

83 Memoria: Tarjeta Subdispositivo del Sistema Funcionalidad Componentes innecesarios Habilitar/Interrumpir Relé Estado Sólido Transformador de Tensión Puente Rectificador Resistencias R3, R4 y R6 Componentes necesarios Relé 50/16 A Valor de R5 para Relé 50/16 A Transistores 2N2222 Diodo 1N4004 Intensidad Comentarios máxima de la carga 50/16 A Cablear Test Points del Relé de Estado sólido. Soldar los Componentes Necesarios Condensador C2 Regular Relé 50 A Relé Estado 8/16 A No hace falta Relé 16 A Transistores 2N2222 Diodo 1N4004 Sólido Transformador de Tensión Puente Rectificador cablear nada en la tarjeta, simplemente soldar los Componentes Necesarios Resistencia R5 Resistencias R3, R4 y R6 Condensador C2 Medida del consumo - Transductor de 8/ 16 A Cablear Test eléctrico corriente Efecto Points del Hall transductor de corriente según Figura 11 Tabla 4 Componentes específicos según la funcionalidad de la tarjeta Javier Arancibia García Página 83

84 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema Capítulo 4 Tarjeta dispositivo central del sistema El Home Energy Management System necesita un módulo que pueda medir el consumo eléctrico total de un hogar, que pueda recibir las órdenes del usuario y/o de los sistemas de agregación y que pueda transmitirlas a los subdispositivos para que actúen según las premisas establecidas y de la manera más eficiente posible. Este es el segundo tipo de módulo del sistema, al que hemos llamado dispositivo central Funcionalidades El dispositivo central tiene una serie de funcionalidades que describiremos a continuación: Medida del consumo eléctrico de los circuitos eléctricos del hogar Una importante funcionalidad del dispositivo central es poder informar al usuario de la energía eléctrica total que está consumiendo en su hogar, por lo que para ello el módulo deberá ser capaz de medir el consumo eléctrico de cada circuito y con ello la totalidad de lo que consume el hogar Comunicaciones ZigBee El dispositivo central debe ser capaz de comunicarse a través de Wi-Fi con el usuario y/o con los sistemas de agregación para poder recibir órdenes externas Comunicaciones Wi-Fi Esta tarjeta debe ser capaz también de comunicarse por ZigBee dentro del sistema de forma inalámbrica. El dispositivo central es el encargado de coordinar las órdenes y gestionar la información dentro de la red creada dentro del hogar Capacidad de optimización y de dar recomendaciones al usuario Por último el módulo debe poseer inteligencia para poder gestionar el consumo de energía eléctrica de la manera más óptima e informar a los agentes externos sobre distintas recomendaciones para que el consumo eléctrico del hogar sea lo más eficiente posible. Javier Arancibia García Página 84

85 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema 4.2 Diseño El dispositivo central irá colocado en el tablero eléctrico principal donde se encuentran los interruptores, fusibles y contadores de los distintos circuitos del hogar. En la Figura 39 podemos ver el diseño de la tarjeta del dispositivo central. Podemos ver que en el diseño realizado existen seis conectores para seis circuitos distintos de corriente, sin embargo sería posible implementar un mayor número de conectores según las características del hogar y de los requisitos del usuario, haciendo pequeños cambios en el diseño de la tarjeta como la utilización de los pines de programación que en este diseño se han incluído. Figura 39 Parte del diseño de la tarjeta del dispositivo central Alimentación De la misma forma que en los subdispositivos, la tensión de alimentación de los componentes electrónicos necesarios en el dispositivo central será de 3.3 voltios o 5 voltios. Debido a la localización del dispositivo central, éste se alimentará a través de una fase y neutro desde el tablero eléctrico principal del hogar, por lo que la tensión de entrada de la tarjeta será de 230 voltios. Para ello, y al igual que en para los Javier Arancibia García Página 85

86 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema subdispositivos, se ha optado por el modelo TMLM de TRACOPOWER. En la Figura 29 podemos ver el circuito de alimentación del dispositivo central. Microcontrolador dspic33fj128mc802 Módulo ZigBee MRFJ24J40MA AC_L Módulo Wi-Fi MRF24WB0MA PICtail TM /PICtail Plus Daughter Board 3.3 V 0 V 5 V AC_L AC_N Fuente de Tensión TMLM Fusible 1 MST 1.6A 2 250V AC_N Figura 40 Circuito de alimentación del dispositivo central Como podemos ver en la Figura 40, el módulo Wi-Fi es el único componente electrónico de la tarjeta que está alimentado con 5 voltios, mientras que tanto el módulo ZigBee como el microcontrolador están alimentados a 3.3 voltios. También es importante notar que el conector necesario es sólo de dos patas, a diferencia del conector de alimentación del subdispositivo, ya que sólo necesitamos las fases AC_L y AC_N en la tarjeta. Como veremos en el apartado 4.4, será necesario cablear cuidadosamente desde el tablero eléctrico estas dos fases a nuestro dispositivo central Transformador de corriente Una de las funcionalidades del dispositivo central es medir el consumo eléctrico de los distintos circuitos del hogar y para ello se van a emplear transformadores de corriente. El que finalmente se ha escogido es el AC1005 de Talema. Debido a la difícil accesibilidad a los circuitos eléctricos de un hogar se optó por transformadores de corriente de montaje superficial y con un orificio por donde pase el cable que se pretende medir su intensidad con una anchura máxima de 9.5 milímetros de diámetro. Por lo tanto los transformadores de corriente irán cableados hasta los conectores de la placa, estando la placa fija en algún lugar del tablero eléctrico mientras que los transformadores poseen una movilidad suficiente para adaptarse a al localización de los distintos circuitos dentro del tablero del mismo. El rango de la corriente alterna de entrada al transformador es de 5 amperios a 60 amperios como máximo y su relación de transformación es 1000:1. A la salida del Javier Arancibia García Página 86

87 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema secundario se conectará una resistencia y un puente rectificador en paralelo para poder así medir la tensión que caiga en la resistencia con el convertidor analógico digital del microcontrolador. En la Figura 41 podemos ver el diseño de uno de los circuitos empleados para la medición de la corriente consumida por los circuitos del hogar a partir de transformadores de intensidad. Circuito Hogar 1 Transformador de 1 Corriente 2 AC1005 Talema AN dspic33fj128mc R1 Puente Rectificador Figura 41 Circuito del transformador de corriente del dispositivo central Como vemos en la Figura 30, el valor de la resistencia R1 no se ha determinado. Según la resistencia que se conecte, la relación entre la intensidad de entrada y la tensión de salida que cae en la resistencia será más o menos lineal. A continuación se enseña en la Figura 42 una gráfica sacada del datasheet del transformador de corriente que relaciona la tensión de entrada y la tensión de salida en función del valor de la resistencia colocada a la salida del secundario. Javier Arancibia García Página 87

88 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema Figura 42 Relación entre la tensión de salida y corriente de entrada del transformador de corriente según la resistencia conectada en el secundario El microcontrolador es capaz de medir sólo tensiones positivas con un valor máximo de 3.3 voltios. Así pues necesitamos colocar una resistencia a la salida del secundario del transformador que nos permita leer la máxima intensidad sin sobrepasar el límite de 3.3 voltios de salida. También es necesario que los saltos de tensión sean suficientemente grandes como para que el microcontrolador los detecte y pueda ser preciso. Por último el valor de la resistencia debe proporcionar la máxima linealidad entre la entrada y la salida ya que el cálculo de la intensidad se realizará a través de la ecuación de la recta según la Figura 42. Por lo tanto, atendiendo al criterio de linealidad anteriormente mencionado, parece que los valores de resistencia adecuados deberían ser 100 Ω, 200 Ω o 500 Ω. Entre estos valores, y ahora atendiendo al criterio de que la tensión de salida no puede sobrepasar los 3.3 voltios que el microcontrolador puede soportar, el valor de 200 Ω parece el más adecuado ya que la mayoría de circuitos del hogar conducen una corriente de 16 amperios como máximo que se correspondería a una tensión de salida aproximadamente de 3 voltios para la recta de 200 Ω según la Figura 31. Sin embargo el Javier Arancibia García Página 88

89 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema valor no es definitivo y se podrá soldar otro valor de resistencia que se adapte mejor a las características del circuito que se pretende medir, en caso de que se sepa que va a consumir una intensidad mayor o menor que 16 amperios. Una vez medida la tensión, a partir de la siguiente expresión podremos calcular la intensidad que está consumiendo la carga: (6) Vemos que la expresión depende del parámetro m (Ω) que será la pendiente de la recta que relaciona la tensión de salida con la intensidad de entrada. En la tabla 5 se proporciona algunos valores aproximado de dicho parámetro a partir de la Figura 31 en función de la resistencia empleada. R [Ω] m (Ω) Tabla 5 Valores de la pendiente de la recta que relaciona la tensión de salida con la corriente de entrada del transformador de corriente según el valor de la resistencia conectada Una vez tengamos el valor de m (Ω), necesitamos calcular el valor de la tensión eficaz a partir de la tensión medida. A partir de la tensión máxima de la onda completa rectificada, podemos obtener la tensión eficaz que coincide con la tensión eficaz de la onda senoidal, según la expresión siguiente: (7) Después de tener ya todos los valores necesarios para el cálculo de la intensidad eficaz, podemos calcular la potencia monofásica calcula por cada circuito del hogar a partir de la expresión (2) del capítulo 3, suponiendo también que el factor de potencia es igual a la unidad. En la Figura 43 podemos ver el diagrama de flujo del algoritmo empleado para el cálculo de la potencia que consume cada circuito. Javier Arancibia García Página 89

90 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema Vmáx [Hex] = MAX Conversión V máx [V] Cálculo V rms [V] Cálculo I rms Cálculo P [W] Medida AN0 t-1 = Medida AN0 Medida AN0 NO NO Medida AN0 > Medida AN0 t-1 SÍ Medida AN0 > MAX SÍ MAX = Medida AN0 Figura 43 Diagrama de flujo del algoritmo empleado para el cálculo de la potencia consumida por cada circuito del hogar Por otro lado hay que tener en cuenta que en el diseño del circuito que hemos expuesto en la Figura 30, hemos colocado un puente rectificador en paralelo con la resistencia que conectamos a la salida del transformador. La resistencia de dicho puente rectificador es muy elevada, por lo que la resistencia de salida equivalente del secundario del transformador sería prácticamente el valor de la resistencia conectada. Sin embargo, y para asegurarnos el correcto funcionamiento se midió con el osciloscopio la tensión máxima medida en el secundario tanto sin usar el rectificador como haciendo uso del mismo. En la Figura 44 podemos ver la tensión de salida del transformador de intensidad que cae en la resistencia, en este caso se conectó una resistencia de 500 Ω. Javier Arancibia García Página 90

91 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema 0 V Figura 44 Tensión de salida del transformador de intensidad sin puente rectificador Podemos ver en la esquina derecha de la Figura 32 el valor de la tensión máxima, que vale 4.06 voltios. A continuación la Figura 45 muestra la tensión de salida del transformador de corriente habiendo acoplado un puente rectificador en paralelo con la resistencia de 500 Ω. Javier Arancibia García Página 91

92 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema 0 V Figura 45 Tensión de salida del transformador de intensidad usando un puente rectificador Como podemos ver la tensión de salida es 3.81 voltios, valor prácticamente igual que el que se obtenía sin acoplar un puente rectificador, por lo que damos por bueno el uso de dicho puente rectificador para poder la tensión máxima de salida con el microcontrolador Comunicaciones El dispositivo central debe ser capaz de comunicarse con agentes externos, como puede ser un usuario y/o sistemas de agregación, y además debe ser capaz de comunicarse con los subdispositivos que se encuentran instalados dentro del sistema. Para ello, la tarjeta debe incluir el hardware y software necesario para comunicarse a través del estándar de protocolo de comunicaciones Wi-Fi y ZigBee. Javier Arancibia García Página 92

93 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema ZigBee De la misma manera que los subdispositivos, el dispositivo central debe ser capaz de comunicarse a través del estándar de protocolo de comunicaciones ZigBee. El dispositivo central jugará un papel fundamental en esta red de comunicaciones dentro del hogar ya que es el encargado de gestionar todos los subdispositivos del hogar. Será quién envíe las órdenes pertinentes y el que reciba toda la información acerca de las cargas que se están gestionando. Para ello se ha integrado en la tarjeta el módulo MRF24J40MA. El diseño es el mismo que el de los subdispositivos, utilizando los mismos pines del microcontrolador para que éste se pueda comunicar a través de la interfaz SPI con el módulo de radio. Figura 46 Conexionado del módulo MRF24J40MA en la tarjeta del dispositivo central La Figura 46 muestra parte del conexionado de la tarjeta del dispositivo central. En este caso se muestra la capa superior en rojo (Top Layer) y se puede apreciar el conexionado entre el módulo y el microcontrolador. Los pines del micro que se conectan con el módulo de radio son los mismos en los subdispositivos. Por último se mostrará en la Figura 47 el diagrama de flujo de la comunicación a través de ZigBee para el dispositivo central. Javier Arancibia García Página 93

94 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema Definición del canal Definición del Mensaje Definición dirección del módulo Recibir comprobación por subdispositivo SÍ Inicialización del SPI1 Inicialización maestro Mensaje enviado SÍ Orden cumplida por subdispositivo NO NO Figura 47 Diagrama de flujo para la comunicación ZigBee del dispositivo central Wi-Fi Otra de las funcionalidades del dispositivo central es la comunicación a través del estándar de protocolo de comunicaciones Wi-Fi para que el usuario o/y sistema de agregación como una comercializadora eléctrica puedan enviar sus órdenes de forma remota. Para ello se ha elegido una tarjeta madre de Microchip que permita establecer una conexión Wi-Fi y comunicarse con un microcontrolador para gestionar las órdenes que el dispositivo central recibe y envía. Dicha tarjeta es la MRF24WB0MA PICtail TM /PICtail Plus Daughter Board. Para establecer las comunicaciones con el microcontrolador, la tarjeta del dispositivo central posee un conector para poder introducir la tarjeta con conexión Wi-Fi de manera apropiada. En la Figura 48 podemos ver la interfaz entre el módulo de Wi-Fi y el microcontrolador. Javier Arancibia García Página 94

95 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema Figura 48 Interfaz entre el módulo Wi-Fi y el microcontrolador Entre los pines que se indican en la Figura 48, no todos son necesarios si se usa la tarjeta madre que hemos decidido emplear. La tarjeta madre se introducirá en un conector de 28 pines incorporado en la tarjeta del dispositivo central. Las conexiones necesarias se indican en la Figura dspic33fj128mc INT (Negado) RESET (Negado) HIBERNATE SDI Conector Wi-Fi SDO 5 V CS(Negado) SCK Figura 49 Conexiones entre el microcontrolador y el módulo de Wi-Fi Javier Arancibia García Página 95

96 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema Como podemos ver la comunicación entre ambos se basa en la interfaz SPI. Por otro lado son necesario también pines adicionales para poder acceder a enviar o recibir información del módulo de Wi-Fi como son el CS (Chip Select), HIBERNATE, RESET y por último INT que es un pin de interrupción de entrada al microcontrolador. Simplemente insertando la tarjeta madre de Wi-Fi al conector de la tarjeta en la esquina derecha de la misma y desarrollando el software necesario, el dispositivo central podrá conectarse con agentes externos a través de Wi-Fi. Por útlimo en la Figura 50 podemos ver el diagrama de flujo para la comunicación Wi- Fi en el dispositivo central. Definición del Mensaje Definición MAC Address Inicialización del SPI2 Recibir Mensaje Inicialización Conexión NO SÍ Conexión establecida Elegir enviar o recibir mensaje Enviar Enviar Mensaje NO SÍ Figura 50 Diagrama de flujo para la comunicación Wi-Fi del dispositivo central Es importante notar que se ha conseguido establecer comunicación a través de Wi-Fi utilizando la interfaz SPI2 del dspic33fj128mc802, para dejar libre la interfaz SPI1 que será la utilizada por el dispositivo central para comunicarse al mismo tiempo con los subdispositivos a través de ZigBee. Javier Arancibia García Página 96

97 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema 4.3 Programación del dspic33fj128mc802 Capacidad de comunicación a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee int inicializa_maestro(byte mychannel, BYTE TxPow); void MandarMensaje(BYTE *Mensaje, int longitud, BYTE objetivo[2]); void MandarMensajeBroadcast(BYTE *Mensaje, int longitud); void RecibirMensaje(BYTE *Recibido, int dim[1], BYTE rte[2], BYTE intensidad[1], BYTE calidad[1]); BYTE dec2hex(int entrada); Código 8 Declaración de las funciones principales para establecer conexión a través de ZigBee Capacidad de comunicación a través del estándar de protocolo de comunicaciones Wi-Fi /***************************************************** Function: void InicializarConexion(void)--> Inicializa la conexión Usa 5 funciones: TickInit(); MPFSInit; InitAppConfig(); StackInit(); y WF_Connect(); que es la encargada de conectar leyendo la información del archivo WF_Config.h *****************************************************/ void InicializarConexion(void); /***************************************************** Function: int ConectarServidor(WORD ServerPort) --> Inicializa Servidor Precondition: Que hubiera encontrado la red Parameters: WORD ServerPort --> Puerto de la conexión Returns: 1 *****************************************************/ int ConectarServidor(WORD ServerPort); Javier Arancibia García Página 97

98 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema /***************************************************** Function: int ConectarEsclavo(WORD ServerPort, NODE_INFO ServR) --> Conecta con Servidor Precondition: Que hubiera encontrado la red Parameters: WORD ServerPort Returns: 1 OK *****************************************************/ int ConectarEsclavo (WORD ServerPort, NODE_INFO ServR); /***************************************************** Function: int Enviar (BYTE AppBuffer2[], WORD tamanomax) --> Envía mensaje Precondition: Que exista conexión. Parameters: BYTE AppBuffer2[]--> Lo que se envía WORD tamanomax--> Tamaño del mensaje a enviar Returns: 1 OK *****************************************************/ int Enviar (BYTE AppBuffer2[], WORD tamanomax); /***************************************************** Function: int Recibir (BYTE AppBuffer2[], WORD tamanomax) --> Recibe mensaje Precondition: que exista conexión. Parameters: BYTE AppBuffer2[]--> Donde se guarda el mensaje WORD tamanomax--> Tamaño de donde se va a guardar el mensaje Returns: Javier Arancibia García Página 98

99 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema 0 si no ha recibido datos 1 si ha recibido datos y entra en el vector 2 si ha recibido datos y no entra en el vector *****************************************************/ int Recibir (BYTE AppBuffer2[], WORD tamanomax); /***************************************************** Function: int Desconectar (void) --> Corta la comunicación Precondition: Que exista conexión. Returns: 0 para indicar que no hay conexión; *****************************************************/ int Desconectar (void); /***************************************************** Function: int Estaconectado (void) --> Estado conexión Precondition: Haber iniciado conexión. Returns: 1 OK 0 NO OK 2 NO OK después de 5s desde conexión necesario volver a ConectarEsclavo *****************************************************/ int EstaConectado (void); /***************************************************** Function: int EstaConectadoS (void) --> Estado conexión al servidor Precondition: Haber iniciado conexión. Returns: Javier Arancibia García Página 99

100 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema 1 OK 0 NO OK *****************************************************/ int EstaConectadoS (void); /***************************************************** Function: IP_ADDR ObtenIP(void) --> Obtiene la IP Precondition: Que exista conexión. Returns: La IP *****************************************************/ IP_ADDR ObtenIP(void); /***************************************************** Function: int DesconectarServidor (TCP_SOCKET *MySocket) --> Corta la comunicación y que esté escuchando Precondition: Que exista conexión. Returns: 0 OK para indicar que no hay conexión; *****************************************************/ int DesconectarServidor (void); 4.4 Manejo Código 9 Declaración de funciones módulo WiFi El dispositivo central va conectado como hemos mencionado anteriormente en el tablero eléctrico principal del hogar o del edificio para poder medir la intensidad de los distintos circuitos del hogar y para poder alimentar a la tarjeta con 230 voltios. Del mismo tablero eléctrico se extraen los circuitos que se deseen y se insertan por el orificio de los transformadores de intensidad. Éstos llevarán unos cables conectados en Javier Arancibia García Página 100

101 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema sus dos patas que se insertarán en los conectores correspondientes de la tarjeta del dispositivo central. En la Figura 51 podemos ver un esquema para poder entender cómo se instala el dispositivo central. Transformadores de Corriente Tablero Eléctrico Circuito 1 Circuito 2... Circuito N Dispositivo Central Figura 51 Proceso de conexión para la utilización del dispositivo central Es importante notar en la Figura 51 el sentido de las flechas que indican de dónde salen y hacia dónde van los cables necesarios. Con el fin de ahorrar costes en la producción de la tarjeta, es recomendable saber de antemano número de cables de los distintos circuitos que van a ser introducidos a través de los agujeros de los transformadores de intensidad de la tarjeta para poder medir la corriente que circula. En el caso de necesitar hasta tres transformadores la tarjeta actual valdría, sin embargo si se desean medir más de tres circuitos la tarjeta actual necesitaría ser ampliada. La modificación es muy básica y no supone grandes cambios en el diseño de la tarjeta del dispositivo central. Del mismo modo, si se conoce aproximadamente la intensidad que va a circular por cada circuito, se podrá elegir la resistencia de salida del secundario de la forma más óptima para que el microcontrolador pueda medir la intensidad que circula en cada Javier Arancibia García Página 101

102 Memoria: Tarjeta Dispositivo Central del Sistema momento. En la Tabla 6 podemos ver los distintos componentes que pueden variar según las características del hogar. Componente Número de Intensidad máxima electrónico componentes Transformador de N número de 60 A Corriente Talema AC1005 circuitos Resistencia N número de 50 Ω 50 A circuitos 100 Ω 30 A 200 Ω 16 A 500 Ω 8 A Tabla 6 Componentes específicos de la tarjeta del dispositivo central según las características de los circuitos a medir Javier Arancibia García Página 102

103 Memoria: Resultados y Pruebas Realizadas Capítulo 5 Resultados y pruebas realizadas En este capítulo se explicarán los resultados obtenidos a lo largo de los meses de trabajo así como las distintas pruebas realizadas con distintos prototipos fabricados. Se detallarán también los problemas encontrados y las soluciones que se han adoptado en cada caso. 5.1 Pruebas realizadas En primer lugar comentaremos las pruebas realizadas, los errores encontrados y finalmente las soluciones adoptadas para la consecución de los distintos objetivos Prueba de comunicación por ZigBee Se diseñaron unas tarjetas específicas con el fin de comprobar la correcta comunicación entre varias tarjetas. Para ello, en un primer lugar se utilizó el módulo de radio MRF89XAM8A, que opera a frecuencias entre 863 MHz y 870 MHz. Se consiguió comunicar dos tarjetas y mandar un mensaje determinado, sin embargo no se pudo identificar la dirección de las tarjetas que se iban conectando a la red por no existir un identificar inalámbrico (que permite ver en el ordenador los mensajes, direcciones de los módulos y demás características de la red creada) ya que Microchip no lo ha desarrollado aún para el módulo de radio MRF89XAM8A. Por ese motivo se decidió utilizar el módulo de radio MRF24J40MA, que si poseía el adaptador inalámbrico anteriormente citado. Se consiguió establecer una comunicación robusta (enviando mensajes determinados a tarjetas concretas identificadas a través de su dirección única), bidireccional (para aumentar la seguridad y fiabilidad de la red) y además añadir al código necesario para comunicarse a través de ZigBee, código adicional para llevar a cabo todas las funcionalidades, tanto de los subdispositivos como del dispositivo central. A la hora de hacer las pruebas se comprobó el funcionamiento del sistema usando el mismo microcontrolador en todas las tarjetas (tanto en los subdispositivos como en el dispositivo central) que fue el dspic33fj32mc202, ya que el microcontrolador del dispositivo central, el dspic33fj128mc802 se obtuvo al final del proyecto y sólo una Javier Arancibia García Página 103

104 Memoria: Resultados y Pruebas Realizadas unidad. Ambos microcontroladores poseen los mismos puertos en las mismas patas. La única diferencia es que el dspi33fj128mc802 posee más memoria, que era necesaria para poder programar el código empleado para la comunicación Wi-Fi. Aún usando exactamente el mismo código, se observaron dificultades a la hora de comunicar las tarjetas mediante ZigBee. No se pudieron realizar pruebas suficientes debido a la falta de microcontroladores dspic33fj128mc802, pero el problema puede deberse a la falta de sincronismo a la hora de utilizar la interfaz SPI con microcontroladores distintos, siendo la solución emplear el mismo tipo de microcontrolador para todas las tarjetas (el dspic33fj128mc802) Prueba de interrupción y habilitación del consumo de una carga elécrica Se consiguió interrumpir y habilitar el consumo de cargas con distintos consumos (como una bombilla de 40 W o una plancha de 2400 W) con los relés de 16 A y 50 A. Ambos relés son biestables de doble bobina para disminuir al máximo el consumo necesario para cambiar su estado de abierto a cerrado mediante un pulso de corta duración. Se diseñó un circuito con transistores, diodos y resistencias de valores determinados para llevar a cabo esta funcionalidad y se comprobó su correcto funcionamiento Prueba de regulación del consumo eléctrico de una carga Para regular el consumo de una carga, se analizaron distintos dispositivos integrados que permitieran llevar a cabo esta función para cargas de alto consumo y bajo el control de un microcontrolador. Primero se trató de conseguir la regulación de una carga mediante el uso de un relé de estado sólido Zero-Crossing pero sólo se obtuve una regulación del 50%. Finalmente se optó por usar un relé de estado sólido Random Turn-On ya que si se usa adecuadamente permite obtener cualquier tipo de regulación de una carga. Una vez decidimos qué dispositivo integrado emplear, se trató de regular la carga por medio de un PWM. Sin embargo, debido al error de precisión del PWM y a las pequeñas variaciones de la frecuencia de la red, no se consiguió sincronizar la señal de entrada digital con la tensión de la carga, por lo que se desestimó el uso de un PWM como señal de entrada al relé de estado sólido para poder regular la carga. Javier Arancibia García Página 104

105 Memoria: Resultados y Pruebas Realizadas Finalmente se decidió muestrear con la mayor precisión posible la tensión que recibe la carga mediante el uso de un transformador de tensión, un puente rectificador y un divisor de tensión. Gracias a ello se pudo enviar la señal cuando la tensión pasaba por un valor concreto, consiguiendo adaptar la señal de entrada digital al relé de estado sólido a la tensión que existe en cada momento en la red Prueba de medida del consumo eléctrico Para medir el consumo eléctrico primero se realizaron distintas pruebas del consumo eléctrico de una carga puntual y finalmente de un circuito eléctrico concreto para poder saber cuánto están consumiendo los distintos circuitos del hogar (como el circuito de iluminación, el circuito de tomas general, el circuito de cocina y horno, etc.) y con ello el consumo total del hogar. Con el fin de medir el consumo eléctrico de una carga puntual, se utilizó un transductor de corriente de efecto Hall que, a partir de una intensidad de entrada proporcionaba una tensión de salida relacionada linealmente con dicha intensidad de entrada. Se probaron distintas cargas (como un secador que consumía 2.23 A rms, una plancha que consumía 8.67 A rms y se comprobó la relación lineal entre el valor eficaz que consumía la carga y el valor medio de la tensión de salida del transductor de corriente de efecto Hall. Finalmente para medir el consumo de los distintos circuitos del hogar se empleó un transformador de corriente. El cable del circuito a medir se introduce por el primario del transformador por medio de un orificio circular del transformador de hasta 9.5 milímetros de diámetro. Según el valor de la resistencia conectada en el secundario del transformador, la relación entre la intensidad del primario y la tensión que cae en la resistencia es una u otra. El microcontrolador sólo puede muestrear tensiones positivas y de valores no superiores a 3.3 V, por lo que se colocó un puente rectificador en paralelo con la resistencia conectada en el secundario y se comprobó si la relación entre la intensidad del primerio y la tensión que cae en la resistencia se seguía cumpliendo. Se comprobó que prácticamente los valores de la tensión no cambiaban, por lo que se decidió emplear el uso de puentes rectificadores en paralelo con las resistencias colocadas en el secundario. Javier Arancibia García Página 105

106 Memoria: Resultados y Pruebas Realizadas Prueba de comunicación por Wi-Fi Por último se trató de comunicar un ordenador con el dispositivo central a través de Wi- Fi. Se consiguió satisfactoriamente una conexión entre ambos, fijando en el código de Wi-Fi del dispositivo central el nombre de la red creada por el router, configuraciones sobre la seguridad del router y fijando la dirección de la MAC tanto de la antena del módulo de Wi-Fi empleado (MRF24WB0MA) como del propio ordenador al que nos conectamos. Sin embargo se observó que la comunicación era muy lenta, lo que hacía que aparecieran errores a la hora de enviar mensajes entre el dispositivo central y el ordenador. La solución de este problema puede ser depurar más a fondo el código utilizado y tratar de configurar el router con la velocidad máxima de comunicación posible. 5.2 Resultados Finalmente comentaremos los resultados obtenidos en el proyecto. En primer lugar se crearon las dos tarjetas necesarias para el funcionamiento del sistema: la tarjeta de los subdispositivos y la tarjeta del dispositivo central. Al principio se diseñaron varios prototipos hasta finalmente conseguir el diseño definitivo de ambas tarjetas, mandando en este caso fabricar a una empresa especializada varias tarjetas para los subdispositivos. En la Figura 52 podemos ver dos imágenes correspondientes a los prototipos de las tarjetas del dispositivo central y de los subdispositivo. Javier Arancibia García Página 106

107 Memoria: Resultados y Pruebas Realizadas Figura 52 Prototipos de las tarjetas del dispositivo central y del subdispositivo Por otro lado se realizaron diversas pruebas, de forma independiente, para demostrar el correcto funcionamiento de las distintas funcionalidades de las distintas tarjetas. Para demostrar el correcto funcionamiento de las tarjetas de forma conjunta en el sistema, se realizó una pequeña demostración con varios subdipositivos y un dispositivo central donde se comprobó, a través del protocolo de comunicaciones inalámbricas ZigBee que permitió la comunicación entre las tarjetas, el correcto funcionamiento de las funcionalidades de cada tarjeta. Finalmente se consiguió que el dispositivo central se comunicara con un ordenador a través de WiFi gracias al software y al hardware diseñado para el dispositivo central. Se demostró la comunicación entre ambos por medio de una aplicación en el ordenador que permitía ver información, a través de una interfaz para el usuario, sobre la comunicación WiFi establecida. Javier Arancibia García Página 107

108 Memoria: Conclusiones Capítulo 6 Conclusiones El presente proyecto se ha centrado en el desarrollo del hardware y software necesario para la creación de un sistema para gestionar el consumo de energía eléctrica en un hogar, basándose en la existencia de dos módulos distintos del sistema: el dispositivo central y los subdispositivos. Los productos resultantes son los siguientes: Varias tarjetas de control de potencia de los subdispositivos, basadas en un microcontrolador dspic para comunicarse a través del estándar de protocolo de comunicaciones ZigBee, interrumpir, habilitar y regular el consumo eléctrico de una carga eléctrica monofásica y finalmente medir el consumo eléctrico de dicha carga puntual. Una tarjeta del dispositivo central, basada en un microcontrolador dspic para comunicarse a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee y Wi-Fi y finalmente medir el consumo eléctrico de los circuitos eléctricos de un hogar. Programación de los subdispositivos que permite la comunicación bidireccional con el dispositivo central a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee mediante la interfaz SPI, incluyendo en el mismo la interrupción, habilitación y regulación del consumo eléctrico de una carga monofásica. Programación del dispositivo central que permite coordinar la comunicación con los subispositivos de manera bidireccional a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee mediante un módulo de la interfaz SPI. Programación del dispositivo central que permite la conexión con un ordenador a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas Wi-Fi mediante un segundo módulo de la interfaz SPI. En definitiva, se ha conseguido desarrollar las bases sólidas para que, en un futuro cercano, se consiga un sistema completo de gestión de la energía de un hogar. El sistema desarrollado hasta el momento cuenta con todas las herramientas necesarias para integrar los distintos módulos de manera conjunta y dotar de inteligencia al sistema para que pueda gestionar la energía del hogar de la manera más óptima posible. Javier Arancibia García Página 108

109 Memoria: Conclusiones Durante el presente proyecto de fin de carrera se ha tenido que hacer frente a numerosos problemas y contratiempos que han ido surgiendo. Tres de ellos han supuesto un freno considerable para el avance del proyecto. Es importante que se tengan en cuenta para evitar que aparezcan en futuros desarrollos y en aplicaciones similares. El primer problema importante que cabe destacar fue el surgido a la hora de establecer una comunicación robusta y bidireccional por medio del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas de área personal ZigBee. Es necesario elegir un módulo de radio que posea un adaptador inalámbrico para obtener información detallada de lo que pasa en la red, para poder entender mejor su funcionamiento y simplificar el código empleado al máximo para utilizar la mínima memoria necesaria del microcontrolador. En segundo lugar se encontraron dificultades a la hora de regular una carga monofásica por medio de un microcontrolador de manera inalámbrica. La conmutación debe ser suficientemente rápida y estar sincronizada con la red para que el ojo humano no perciba, por ejemplo, el parpadeo de la luz al regular la intensidad de una carga luminosa. Fueron necesarias inicializaciones del convertidor analógico digital del micro que entorpecían el funcionamiento conjunto con las comunicaciones por ZigBee. Finalmente se resolvió el problema estudiando y cambiando adecuadamente los registros inicializados que pudieran dar problemas a la correcta utilización de la interfaz SPI necesaria para establecer una comunicación a través de ZigBee. Por lo tanto es importante que en futuros desarrollos se tenga muy en cuenta cada inicialización que se haga de los distintos módulos necesarios para poder integrar todas las funcionalidades de manera conjunta sin problemas. Por último se realizaron varios prototipos hasta llegar a un diseño definitivo de ambas tarjetas. Finalmente las tarjetas se dividieron por zonas para localizar los circuitos de corriente alterna y corriente continua de manera diferenciada y lograr así una colocación estratégica de los componentes y de las pistas que evite futuros problemas de sobrecalentamiento. La sección necesaria de las pistas de corriente alterna es mayor que las de corriente continua, por lo que se elevó al máximo posible su grosor para poder limitar al máximo el ancho de las mismas y con ello el espacio necesario de la tarjeta. Será importante considerar en futuros desarrollos el sobrecalentamiento que pueda haber en los distintos componentes según las pruebas realizadas. Javier Arancibia García Página 109

110 Memoria: Conclusiones Como conclusión podríamos decir que, tanto el sobrecalentamiento de los componentes necesarios para la monitorización de las cargas monofásicas, como la correcta integración de las distintas funcionalidades en un único driver, pueden ser los principales problemas del sistema planteado para la gestión de la energía de un hogar. Javier Arancibia García Página 110

111 Memoria: Futuros Desarrollos Capítulo 7 Futuros desarrollos En este capítulo se detallan las tareas pendientes para poder conseguir la finalización del sistema completo para la gestión de la energía de un hogar. Corregir los errores en la red de comunicaciones ZigBee a la hora de emplear tarjetas con distintos microcontroladores, es decir usando el dspic33fj32mc202 para los subdispositivos y el dspic33fj128mc802 para el dispositivo central. Conseguir una comunicación robusta a través del estándar de protocolo de comunicaciones inalámbricas Wi-Fi entre el dispositivo central y un ordenador o Smartphone. Instalar sensores en los subdispositivos para poder obtener más información acerca del entorno del hogar y poder tomar decisiones de la manera más óptima posible. Medir el consumo energético de cargas puntuales con factor de potencia distinto de la unidad. Desarrollar e implantar algoritmos de gestión eficiente de un hogar y dar recomendaciones al usuario. Lograr una integración completa del sistema y un funcionamiento autónomo del mismo según las consignas dadas por el usuario y/o sistemas de integración de tal manera que se gestione el consumo energético de la manera más óptima posible. Crear una interfaz intuitiva (por ejemplo una página web y una aplicación para Smartphones y Tablets) para que puedan acceder al Energy Box tanto el usuario (a través de un Smartphone, Tablet o un ordenador portátil) como los sistemas de agregación (a través de un ordenador central). Javier Arancibia García Página 111

112 Memoria: Bibliografía Bibliografía [1] Michael LeMay, Rajesh Nelli, George Gross, and Carl A. Gunter, An Integrated Architecture for Demand Response Communications and Control University of Illinois Urbana-Champaign, 2008 [2] Lijun Chen, Na Li, Steven H. Low and John C. Doyle, Two Market Models for Demand Response in Power Networks, Engineering & Applied Science Division, California Institute of Technology, USA, 2010 [3] Adela Conchado, Pedro Linares, Estimación de los beneficios de la gestión activa de la demanda. Revisión del estado del arte y propuestas, Instituto de Investigación Tecnológica, Universidad Pontificia de Comillas, Junio 2010 [4] Prakash Kumar Arvind Jhaasdf, Home Side Auto-Demand Response System, Thesis, San Diego State University, Primavera 2011 [5] Edward Arens, David Auslander, David Culler, Cliff Federspiel, Charlie Huizenga, Jan Rabaey, Paul Wright, Dick White, Demand Response Enabling Technology Development Phase I Report, University of California Berkeley, Abril 2006 [6] Edward Arens, David Auslander, Charlie Huizenga, Demand Response Enabling Technology Development Phase II Report from the Thermostat/Controls Group, University of California Berkeley, Marzo 2008 [7] Alexander Do, William J. Burke, David M. Auslander, Richard M. White, Paul K. Wright, Technical Review of Residential Programmable Communicating Thermostat Implementation for Title , University of California Berkeley, 2008 [8] Carrie Ann Brown, Multizone register controlled residential heating: Optimized for energy use and comfort, Thesis, University of California Berkeley, Otoño 2007 [9] Lockeheed Martin Aspen Systems, Demand Response Enabling Technologies For Smaill-Medium Businesses, Abril 2006 [10] Ángel Molina García, Métodos y modelos para la gestión de cargas eléctricas residenciales en redes de distribución, Universidad Politécnica de Cartagena, 2002 Javier Arancibia García Página 112

113 Memoria: Bibliografía [11] Clifford Federspiel, Kurt Federspiel, Wireless Demand Response Controls for HVAC Systems, National Conference on Building Commissioning, Abril 2008 [12] Q. Binh Dam, Salman Mohagheghi, James Stoupis, Intelligent Demand Response Scheme for Customer Side Load Management, IEEE Energy2030, Noviembre 2008 [13] Roger Levy, Sila Kiliccote, Chuck Goldman, Demand Response, NARUC Webinar, Mayo 2011 [14] Klaas De Craemer, Geert Deconinck, Analysis of State-of-the-art Smart Metering Communication Standards, Conference YRS, Marzo 2010 [15] Tom Verschueren, Wouter Haerick, Kevin Mets, Chris Develder, Filip De Turck, Thierry Pollet, Architectures for smart end-user services in the power grid, Ghent University, Alcatel-Lucent, IEEE 2010 [16] Richard C. Larson, Dan Livengood, Woei Link Leow, The Energy Box, Massachusetts Institute of Technology, MIT-Portugal, Engineering Systems Symposium, Junio 2009 [17] Kathy Donnelly, Daniel Livengood, Achieving Energy Efficiency through Behavioral Economics and Energy Box Technology Implementation, Massachusetts Institute of Technology, MIT-Portugal Program, Enero 2008 [18] Daniel Livengood, Richard Larson, The Energy Box: Locally Automated Optimal Control of Residential Electricity Usage, Massachusetts Institute of Technology, 2009 [19] Andreas Kamilaris, Vlad Trifa, Dominique Guinard, Building Web-based Infrastructures for Smart Meters, Department of Computer Science University of Cyprus, 2010 [20] Christopher Laughman, Douglas Lee, Robert Cox, Steven Shaw, Steven Leeb, Les Norford, Peter Armstrong, Advanced Nonintrusive Monitoring of Electric Loads, Massachusetts Institute of Technology, IEEE Power and Energy Magazine, Marzo/Abril 2003 [21] Microchip Technology Inc., dspic33fj32mc202/204 and dspic33fj16mc304 Data Sheet, 2009 [22] Microchip Technology Inc., dspic33fj32mc302/204, dspic33fj64mcx02/x04 and dspic33fj128mcx02/x04 Data Sheet, 2012 Javier Arancibia García Página 113

114 Memoria: Bibliografía [23] Microchip Technology Inc., PICkit TM 3 Programmer/Debugger User s Guide, 2009 [24] Emilio Carrasco, Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión, Editorial Tébal, S.L [25] CadSoft EAGLE, Tutorials, Última consulta: 10/05/2012 [26] Energate, Home Area Network, Última consulta: 05/04/2012 [27] ZigBee Alliance, ZigBee Smart Energy Certified Products, Última consulta: 15/05/2012 [28] Control4, Energy Products, Última consulta: 05/04/2012 [29] VentureBeat, Green, Energy, Última consulta: 15/05/2012 [30] GreenBiz, Buildings & Facilities, Última consulta: 15/05/2012 [31] FrogDesign, Home Energy Management, Beyond the Numbers, Última consulta:15/05/2012 %20Beyond%20the%20Numbers.pdf Javier Arancibia García Página 114

115 PARTE II ESTUDIO ECONÓMICO

116 Estudio Económico Estudio Económico El mercado de los sistemas y dispositivos para la gestión de la energía en hogares espera crecer de manera vertiginosa en los próximos años. Numerosos estudios constatan que en 2014, los ingresos globales relacionados con productos y servicios relacionados con la mejora del consumo de energía en los hogares, podrían llegar hasta los 3.3 billones de dólares. Debido a la demanda de los consumidores y la presión por parte de las empresas eléctricas, existe un sustancial mercado para los sistemas para la gestión de energía en los hogares y dispositivos que muestren información acerca del consumo, que se prevé que llegue hasta las 28.1 millones de usuarios en el mundo entero para Por lo tanto, es un sector todavía por explotar y del que se desconoce cómo evolucionará en un futuro, pero muchas predicciones apuntan que en unos años será un sector que brindará muchas oportunidades a distintas empresas. Una de las principales desventajas de este tipo de sistemas es alto precio que lo usuarios deben pagar para poder usarlo en sus hogares. A la hora de valorar los costes del sistema, tendremos en cuenta los siguientes tres aspectos: El hardware del sistema La instalación del sistema Mantenimiento mensual del sistema Analizaremos la viabilidad del proyecto bajo la hipótesis de que tanto los costes de instalación del sistema como los costes por mantenimiento mensual son nulos. Esto se debe a que el sistema creado solamente necesita la instalación del dispositivo central en el tablero de contadores que como mucho puede tardar unos minutos, por lo que el coste del personal necesario para ello por sistema es muy bajo, por lo que se supondrá nulo. El sistema no necesita mantenimiento de los componentes físicos. En todo caso, quizás necesite actualizaciones del software empleado por el sistema. Sin embargo al no tener la certeza de si verdaderamente son necesarias actualizaciones en el software, ni de cada cuánto tiempo serán, ni del coste que supondrán, supondremos que el coste por mantenimiento será en principio nulo también. Javier Arancibia García Página 116

117 Estudio Económico Por lo tanto tendremos sólo en cuenta el coste del hardware del sistema. En el documento Presupuesto del presente proyecto fin de carrera se especifica detalladamente los costes del sistema. El elevado coste del sistema calculado se debe principalmente a los costes por mano de obra que han supuesto casi un 98% del coste total. Teniendo en cuenta sólo los costes del hardware de los subdispositivos y del dispositivo central, y suponiendo que se instalan cinco subdispositivos, el coste del sistema sería de 513, 45. El coste se ha obtenido a partir de la suma del coste por unidad de cada componente, por lo que si se realizaran varias tarjetas el coste por unidad al comprar un volumen mayor de cada componente sin duda bajaría. Una vez tengamos el coste de la inversión necesaria, debemos ahora tratar de calcular cuándo se amortizará dicha inversión inicial. Para ello debemos ver el ahorro que el sistema producir en la factura de la electricidad en los hogares. Según un estudio de Oxford University Environmental Change Institute s, simplemente mostrando a los usuarios información sobre el consumo en sus hogares, se consigue reducir consumo hasta un 15%. Distintos estudios constatan que los usuarios, una vez advertidos de la energía que están consumiendo y del gasto que supone, cambian la manera de emplear sus recursos del hogar consiguiendo reducir considerablemente el consumo. Sin embargo esta mejora en el ahorro del consumo se suele producir en las etapas más tempranas cuando el usuario está motivado, y finalmente al cabo de un tiempo el propio usuario deja de ahorrar tanto por la pérdida de esa motivación inicial. En la Figura 49 podemos ver las distintas etapas por las que podría pasar un potencial usuario del sistema del presente proyecto fin de carrera. Javier Arancibia García Página 117

118 DESPREOCUPACIÓN NECESIDAD BAJA ATENCIÓN NECESIDAD MEDIA MOTIVACIÓN NECESIDAD ALTA Estudio Económico ALTO ROI GANANCIAS LARGO PLAZO ALTO ROI GANANCIAS MEDIO PLAZO ALTO ROI GANANCIAS CORTO PLAZO Figura 53 Beneficios del Home Energy Management System en función de la predisposición del usuario Así pues será necesario no sólo mostrar gráficos y estadísticas, sino enganchar a la gente a través de redes sociales, pudiendo compararse con otros, para dar al usuario una retroalimentación acerca de su consumo. Para poder obtener información detallada acerca del consumo, recomendaciones según las cargas que se gestionan, etc. es necesario el uso de varios subdispositivos. Éstos poseen muchas funcionalidades que permiten gestionar el consumo eléctrico de la forma más óptima posible. Por lo tanto el sistema no sólo dará información, con lo que se conseguiría ahorrar hasta un 15% de energía como hemos visto, sino que va a actuar directamente sobre las cargas del hogar de manera óptima. Algunos sistemas desarrollados por otras empresas con funcionalidades parecidas han conseguido reducir el consumo eléctrico cerca de un 30%. En la Figura 50 se muestra las cargas eléctricas que consumen más y serán por tanto cargas que el sistema tratará de gestionar lo mejor posible. Javier Arancibia García Página 118

119 Estudio Económico Consumo de un hogar Iluminación y otros electrodomésticos 26% Calefacción 41% Calentamiento del agua 20% Aire acondicionado 8% Refrigeración 5% Figura 54 Consumo energético medio de un hogar Como podemos ver, el calentamiento de agua supone un gran porcentaje del consumo pero el sistema sólo puede actuar sobre cargas eléctricas, por lo que su actuación será sobre el resto de consumos. Numerosos sistemas en la actualidad aseguran que la amortización de la inversión en sus sistemas es en 2 años y medio. Para calcular los meses necesarios para la amortización del sistema, necesitaremos conocer el coste mensual de la tarifa eléctrica del usuario (T), el coste de la inversión (INV), el ahorro porcentaje de ahorro aproximado mensual (A(%)), los meses necesarios hasta la amortización (N) y finalmente el índice IPC (i) para tener en cuenta la inflación. (8) Suponemos que implantamos el sistema en un hogar de dimensiones relativamente grandes, con una tarifa eléctrica mensual de 150 /mes. El ahorro, basándonos en la efectividad de otros sistemas ya diseñados, se supondrá de un 30%. El índice i se corresponde con el IPC y según el Instituto Nacional de Estadística, la variación del Índice General Nacional según el sistema IPC base 2011 desde Abril de 2011 hasta Javier Arancibia García Página 119

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